La bactérie pathogène, Streptococcus pneumoniae (ou pneumocoque), produit une sérinethréonine-kinase membranaire, StkP, et une tyrosine-kinase, CpsD, qui sont respectivement des régulateurs importants de la division cellulaire et de la synthèse de la capsule polysaccharidique. Ces observations ont été directement la base de mon projet de thèse. Au cours de mon étude, j'ai participé à la mise en évidence du mécanisme par lequel CpsD coordonne la synthèse de la capsule polysaccharidique avec le cycle cellulaire du pneumocoque, en contrôlant via son autophosphorylation la mobilité de la protéine ParB de la ségrégation du chromosome. Pour mieux comprendre le mécanisme moléculaire sous jacent, j'ai caractérisé un nouveau partenaire de CpsD et de ParB appelé RocS. J'ai montré que cette protéine est indispensable pour la ségrégation du chromosome. J'ai ensuite identifié que CpsD et RocS constituent un nouveau mécanisme de protection du nucléoïde, qui était jusque-là inconnu chez le pneumocoque. D'autre part, j'ai contribué à la caractérisation du rôle des sousdomaines PASTA du domaine extracellulaire de StkP dans la régulation de l'épaisseur de la paroi cellulaire septale ainsi que dans le degré d'activation de StkP. Plus particulièrement j'ai mis en évidence que le quatrième sous-domaine PASTA de StkP contrôle la fonction de l'hydrolase de la paroi cellulaire LytB, qui est nécessaire pour les étapes finales de la division cellulaire. Mon travail suggère donc l'existence de réseaux de régulation interconnectés du cycle cellulaire du pneumocoque impliquant ces deux protéine-kinases / The pathogenic bacterium, Streptococcus pneumoniae (the pneumococcus), produces a membrane serine threonine kinase, StkP, and a tyrosine kinase, CpsD, which are important regulators of cell division and polysaccharide capsule synthesis, respectively. These observations were directly at the basis of my thesis project. During my thesis, I participated in the identification of the mechanism by which CpsD coordinates the synthesis of the polysaccharide capsule with the cell cycle of the pneumococcus. Indeed, CpsD autophosphorylation controls the mobility of the chromosome partioning protein ParB protein of the chromosome segregation. To better understand the underlying molecular mechanism, I characterized a new CpsD and ParB partner that we called RocS. I showed that this protein is required for chromosome segregation. I also identified that CpsD and RocS form an atypical nucloied occlusion system, which was previously unknown in pneumococcus. On the other hand, I have contributed to the characterization of the role of the PASTA sub-domains of the StkP extracellular domain in the regulation of the septal cell wall thickness as well as in the degree of activation of StkP. More specifically I showed that the fourth PASTA sub domain of StkP controls the function of the cell wall hydrolase LytB, which is required for the final steps of cell division. My work therefore suggests the existence of interconnected regulation networks of the pneumococcal cell cycle and involving these two protein kinases

Les topoisomérases I (topA) et III (topB) sont les deux topoisomérases (topos) de type IA d’Escherichia coli. La fonction principale de la topo I est la relaxation de l’excès de surenroulement négatif, tandis que peu d’information est disponible sur le rôle de la topo III. Les cellules pour lesquelles les deux topoisomérases de type IA sont manquantes souffrent d’une croissance difficile ainsi que de défauts de ségrégation sévères. Nous démontrons que ces problèmes sont majoritairement attribuables à des mutations dans la gyrase qui empêchent l’accumulation d’excès de surenroulement négatif chez les mutants sans topA. L’augmentation de l’activité de la gyrase réalisée par le remplacement de l’allèle gyrB(Ts) par le gène de type sauvage ou par l’exposition des souches gyrB(Ts) à une température permissive, permet la correction significative de la croissance et de la ségrégation des cellules topos de type IA. Nous démontrons également que les mutants topB sont hypersensibles à l’inhibition de la gyrase par la novobiocine. La réplication non-régulée en l’absence de topA et de rnhA (RNase HI) augmente la nécessité de l’activité de la topoisomérase III. De plus, en l’absence de topA et de rnhA, la surproduction de la topoisomérase III permet de réduire la dégradation importante d’ADN qui est observée en l’absence de recA (RecA). Nous proposons un rôle pour la topoisomérase III dans la ségrégation des chromosomes lorsque l’activité de la gyrase n’est pas optimale, par la réduction des collisions fourches de réplication s’observant particulièrement en l’absence de la topo I et de la RNase HI. / E. coli possesses two type IA topoisomerases (topos), namely topo I (topA) and topo III (topB). The major function of topo I is the relaxation of excess negative supercoiling. Much less is known about the function of topo III. Cells lacking both type IA topos suffer from severe chromosome segregation and growth defects. We show that these defects are mostly related to the presence of gyrase mutations that prevent excess negative supercoiling in topA null mutants. Indeed, increasing gyrase activity by spontaneous mutations, by substituting a gyrB(Ts) allele for a wild-type one or by exposing cells carrying the gyrB(Ts) allele to permissive temperatures, significantly corrected the growth and segregation defects of cells lacking type IA topo activity. We also found that topB mutants are hypersensitive to novobiocin due to gyrase inhibition. Our data also suggest that unregulated replication occurring in the absence of topA and rnhA (RNase HI) exacerbates the need for topo III activity. Moreover, when topA and rnhA were absent, we found that topo III overproduction reduced the extensive DNA degradation that took place in the absence of recA (RecA). All together, our results lead us to propose a role for topo III in chromosome segregation when gyrase activity is suboptimal, thus reducing replication forks collapse, especially when replication is unregulated due to the absence of topo I and RNase HI.

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes. / DNA supercoiling is important for all cellular processes that require strand separation and is regulated by the opposing enzymatic effects of DNA topoisomerases. Gyrase uses ATP to introduce negative supercoils while topoisomerase I (topA) and topoisomerase IV relax negative supercoils. Cells lacking topoisomerase I are only viable if they have compensatory mutations in gyrase genes that reduce the negative supercoiling level of the chromosome to allow bacterial growth. One such mutation leads to the production of a thermosensitive gyrase (gyrB(Ts)). Gyrase driven supercoiling during transcription in the absence of topoisomerase I causes the accumulation of hypernegatively supercoiled plasmid DNAs due to the formation of R-loops. Overproducing RNase HI (rnhA), an enzyme that degrades the RNA moiety of R-loops, prevents the accumulation of hypernegative supercoils. In the absence of RNase HI alone, R-loops are equally formed and can be used to prime DNA replication independently of oriC/DnaA, a phenomenon known as constitutive stable DNA replication (cSDR). To better understand the link between R-loop formation and hypernegative supercoiling, we constructed a conditional topA rnhA gyrB(Ts) mutant with RNase HI being conditionally expressed from a plasmid borne gene. We found that the DNA of topA rnhA gyrB(Ts) cells was extensively relaxed instead of being hypernegatively supercoiled following the depletion of RNase HI. Relaxation was found to be unrelated to the activity of topoisomerase IV. Cells of topA rnhA gyrB(Ts) formed long filaments full of DNA, consistent with segregation defect. Overproducing topoisomerase III (topB), an enzyme that can perform decatenation, corrected the segregation problems without restoring supercoiling. We found that extracts of topA rnhA gyrB(Ts) cells inhibited gyrase supercoiling activity of wild type cells extracts in vitro, suggesting that the depletion of RNase HI triggered a cell response that inhibited the supercoiling activity of gyrase. Gyrase supercoiling assays in vivo as well as in crude cell extracts revealed that the ATP dependent supercoiling reaction of gyrase was inhibited while the ATP independent relaxation reaction was unaffected. Genetic suppressors of a triple topA rnhA gyrB(Ts) strain that restored supercoiling and corrected the chromosome segregation defects mostly mapped to genes that affected DNA replication, R-loop metabolism and fimbriae formation. The second part of this project aimed at understanding the roles of type IA DNA topoisomerases (topoisomerase I and topoisomerase III) in chromosome segregation and genome maintenance in E. coli. To investigate the role of type IA DNA topoisomerases in chromosome segregation we employed genetic approaches combined with flow cytometry, Western blot analysis and microscopy (for the examination of cell morphology). We found that the Par- phenotypes (formation of large unsegregated nucleoid in midcell) and chromosome segregation defects of a gyrB(Ts) mutant at the nonpermissive temperature were corrected by deleting topA only in the presence of topB. Moreover, overproducing topoisomerase III was shown to correct the Par- phenotype without correcting the growth defect, but overproducing topoisomerase IV, the major cellular decatenase, failed to correct the defects. Our results suggest that type IA topoisomerases play a role in chromosome segregation when gyrase is inefficient. To investigate the role of type IA DNA topoisomerases in genome maintenance, in the third part of the project, we employed genetic approaches combined with suppressor screens, spot assays and microscopy. We found that cells lacking topoisomerase I suffered from supercoiling-dependent growth defects and chromosome segregation defects that could be corrected by deleting recQ, recA or overproducing topoisomerase III and by an oriC15::aph suppressor mutation isolated in the first part of the project. Cells lacking both type 1A topoisomerases formed very long filaments packed with diffuse and unsegregated DNA. Such phenotypes could be partially corrected by overproducing RNase HI or deleting recA, or by suppressor mutations isolated in the first part of the project, that affected cSDR (dnaT18::aph and rne59::aph). Thus, in E. coli, type IA DNA topoisomerases play a role in genome maintenance by inhibiting inappropriate replication from oriC and R-loops and by preventing RecA-dependent chromosome segregation defect through their action with RecQ. The work reported here reveals that inappropriate and unregulated replication is a major source of genome instability. Preventing such replication will ensures proper chromosome segregation leading to a stable genome. RNase HI and type IA DNA topoisomerases play a leading role in preventing unregulated replication. RNase HI achieves this role by modulating ATP dependent gyrase activity and by preventing replication from R-loops (cSDR). Type IA DNA topoisomerases ensure the maintenance of a stable genome by preventing inappropriate replication from oriC and R-loops and by acting with RecQ to prevent RecA dependent-chromosome segregation defects.

Les bactéries possèdent une famille particulière de tyrosine-autokinases, les BY-kinases. Ces enzymes sont impliquées dans la régulation de plusieurs processus cellulaires dont la synthèse et l'export des polysaccharides extracellulaires qui jouent un rôle crucial dans la virulence de certaines bactéries pathogènes. Cependant, les mécanismes de régulation sous-jacents sont inconnus. L'objectif de ma thèse a été de caractériser d'un point de vue structural et fonctionnel le rôle des BY-kinases. Pour cela, j'ai réalisé trois études indépendantes dans trois modèles bactériens différents. Chez Escherichia coli, j'ai identifié et étudié la surface d'interaction entre la BY-kinase Wzc et sa phosphatase associée Wzb afin de comprendre comment Wzb déphosphoryle Wzc. Chez Staphylococcus aureus, j'ai participé à la caractérisation structurale de la pseudo-BY-kinase CapB1. Par comparaison avec la structure de son homologue actif CapB2, mes études ont permis de suggérer l'existence d'un mécanisme de régulation de la synthèse des polysaccharides extracellulaires impliquant CapB2 et CapB1. Enfin, chez Streptococcus pneumoniae, j'ai mis en évidence que si l'autophosphorylation de la BY-kinase CpsD était indispensable à la synthèse de la capsule polysaccharidique, elle était également indispensable à la division de la cellule. Ainsi, mes travaux ont permis de proposer l'existence d'un mécanisme de coordination de la production de la capsule et du cycle cellulaire du pneumocoque. D'un point de vue appliqué, l'ensemble de mes travaux représente une étape préalable et prometteuse au développement de nouvelles molécules, ciblant les BY-kinases de manière spécifique, afin de lutter contre la virulence de certaines bactéries pathogènes / Bacteria possess a particular family of tyrosine-autokinases named BY-kinases. These enzymes are involved in the regulation of numerous cellular functions including the synthesis and export of extracellular polysaccharides that play a critical role in the virulence of different bacterial pathogens. However, the mechanisms of these processes remain unknown. The aim of my thesis was to characterize the role of these BY-kinases by structural and functional approaches. For that, I have realized three independent studies in three bacterial models. In Escherichia coli, I have characterized the interaction surface between the BY-kinase Wzc and its cognate phosphatase Wzb to understand how Wzb dephosphorylates Wzc. In Staphylococcus aureus, I have studied structurally the pseudo-BY-kinase CapB1. By comparison with the structure of its active homologue CapB2, my studies have allowed to suggest the existence of a mechanism controlling capsular polysaccharides synthesis involving both CapB1 and CapB2. Last, in Streptococcus pneumoniae, I have showed that while the autophosphorylation of the BY-kinase CpsD is necessary for proper synthesis of capsular polysaccharides, it is also involved in cell division. Thus, my work shows that a mechanism coordinating capsule production and cellular cycle exists in the pneumococcus. These works constitute a preliminary and promising step toward the development of new molecules, targeting specifically BY-kinases and aim to combat the virulence of bacterial pathogens

La division cellulaire est un processus biologique universel nécessaire à la reproduction, au développement, à la survie cellulaire ainsi qu’à la réparation des tissus. Une ségrégation chromosomique exacte pendant la mitose est essentielle pour une répartition égale des chromosomes répliqués entre les cellules filles. Des erreurs dans la ségrégation des chromosomes mènent à une condition appelée aneuploïdie, définie par un nombre inadéquat de chromosomes dans une cellule. L’aneuploïdie est associée à une altération de la santé cellulaire, la tumorigénèse, des malformations congénitales et l'infertilité. Contre toute attente, les embryons préimplantatoires de mammifères, dont les humains, consistent souvent en un mélange de cellules euploïdes et de cellules aneuploïdes. Ce mosaïcisme est inexorablement causé par des erreurs dans la ségrégation des chromosomes au cours des divisions mitotiques suivant la fécondation et est associé à un potentiel de développement réduit lors des traitements de fertilité. Malgré sa découverte il y a 25 ans, les mécanismes qui sous-tendent l’apparition de l'aneuploïdie mosaïque dans les embryons préimplantatoires sont toujours méconnus. Pour explorer les causes et les conséquences des erreurs de ségrégation chromosomique, des approches d'imagerie de fine pointe ont été utilisées sur des embryons préimplantatoires murins. L'analyse de la dynamique de la ségrégation des chromosomes via l’imagerie de cellules vivantes a permis d’identifier les chromosomes retardataires, lors de l’anaphase, comme la forme la plus répandue des erreurs de ségrégation. Ces chromosomes retardataires entraînent fréquemment une encapsulation de chromosome unique dans une structure appelée micronoyau. D'autres expériences d'imagerie par immunofluorescence sur des cellules vivantes ou fixées ont révélé que les chromosomes des micronoyaux subissent des dommages importants à l'ADN et sont mal répartis de manière récurrente lors des divisions cellulaires subséquentes dans la phase préimplantatoire. D’autres approches ont aussi permis d’examiner l'efficacité du mécanisme de contrôle de l’assemblage du fuseau mitotique, (SAC pour Spindle Assembly Checkpoint). Les résultats obtenus attestent que le SAC fonctionne, cependant la signalisation liée au SAC n’est pas efficace et ne permet pas de différer l'anaphase, malgré la présence de chromosomes retardataires et ce indépendamment de la taille des cellules. Les résultats présentés révèlent aussi qu’une inhibition partielle d’une cible du SAC, le complexe de promotion de l'anaphase (APC/C), cause une mitose prolongée et une réduction des erreurs de ségrégation. En outre, les études présentées démontrent que la fonction déficiente du SAC pendant le développement préimplantatoire est la cause principale d’une forte incidence de chromosomes retardataires qui entraînent une mauvaise ségrégation chromosomique répétée et qui causent une aneuploïdie mosaïque dans l’embryon. De plus, ce travail fournit la preuve que la modulation pharmacologique de la signalisation SAC-APC/C permet d’éviter les erreurs de ségrégation des chromosomes dans les embryons précoces. En conclusion, ces résultats apportent de nouvelles perspectives sur les causes et la nature des erreurs de ségrégation chromosomique dans les embryons. De plus, ce travail apporte de nouvelles explications mécanistiques sur l'apparition du mosaïcisme dans les embryons ce qui aura des implications importantes dans la détection et la prévention thérapeutique potentielle de l'aneuploïdie mosaïque dans les embryons préimplantatoires. / Cell division is a universal biological process necessary for reproduction, development, cell survival and the maintenance and repair of tissues. Accurate chromosome segregation during mitosis is essential to ensure replicated chromosomes are partitioned equally into daughter cells. Errors in chromosome segregation often result in cells with abnormal numbers of chromosomes, a condition termed aneuploidy, which is associated with impaired cellular health, tumorigenesis, congenital defects and infertility. Counterintuitively, preimplantation embryos from many mammalian species, including humans, often consist of a mixture euploid and aneuploid cells. Such mosaic aneuploidy in embryos is inexorably caused by errors in chromosome segregation during mitotic divisions following fertilization and has been associated with reduced developmental potential in fertility treatments. However, ever since its discovery 25 years ago, how and why mosaic aneuploidy arises in the preimplantation embryo has remained elusive. To explore the causes and consequences of embryonic chromosome segregation errors, advanced imaging approaches were employed in the mouse preimplantation embryo. Live cell imaging analysis of chromosome segregation dynamics identified lagging anaphase chromosomes as the most prevalent form of chromosome mis-segregation in embryos. Lagging chromosomes frequently result in the encapsulation of single chromosomes into micronuclei, which occur in embryos in vitro and in vivo. Further live imaging and immunofluorescence experiments revealed chromosomes within micronuclei are subject to extensive DNA damage and centromeric identity loss, failing to assemble functional kinetochores and being recurrently mis-segregated during ensuing cell divisions in preimplantation development. To uncover the underlying causes for the increased propensity for chromosome mis-segregation in embryos, live imaging and loss-of-function approaches were used to examine the effectiveness of the mitotic safeguard mechanism, the Spindle Assembly Checkpoint (SAC). These studies demonstrated that the SAC normally functions to prevent segregation errors during preimplantation development but SAC signaling at misaligned chromosomes fails to delay anaphase. Moreover, SAC failure in embryos is most evident during mid-preimplantation development, independent of cell size. Partial inhibition of SAC target, the Anaphase Promoting Complex (APC/C), extended mitosis and reduced chromosome segregation errors in embryos. These studies have uncovered deficient SAC function during preimplantation development as a major cause for the high incidence of lagging chromosomes in embryos, which result in repeated mis-segregation of single chromosomes in a manner that necessarily causes mosaic aneuploidy. Additionally, this work provides proof-of-principle demonstration that pharmacological modulation of SAC-APC/C signalling can avert chromosome segregation errors in the early embryo. Altogether, these findings present new insights into the causes and nature of chromosome mis-segregation in embryos, providing novel mechanistic explanations for the occurrence of mosaicism that will have substantial implications for the detection and potential therapeutic prevention of aneuploidy in preimplantation embryos.

La ségrégation des chromosomes est un processus complexe permettant la division égale du matériel génétique entre les cellules filles. Contrairement aux cellules somatiques, ce processus est sujet à des erreurs dans les cellules germinales telles que les ovocytes. Lorsque des erreurs surviennent lors de la ségrégation des chromosomes durant la méiose cela peut conduire à une aneuploïdie. L’aneuploïdie est la présence d’un nombre incorrect de chromosomes dans une cellule et est connue pour causer l’infertilité et des arrêts de grossesses chez l’humain. L’incidence de l’aneuploïdie augmente avec l’âge maternel (1). Le kinétochore est une structure cellulaire impliqué dans la ségrégation des chromosomes. Il est composé de plus de 100 protéines et se situe entre les microtubules et les centromères. Les microtubules se lient aux kinétochores, et ces derniers s’attachent sur les centromères afin de séparer les chromosomes homologues durant la méiose et les chromatides des sœurs pendant la mitose (1–3). Dans les cellules somatiques, cette structure est bien connue (2). Pourtant, moins d’informations sont connues à dans l’ovocyte de mammifère en développement au cours de la méiose I (3,4). Ce projet vise à étudier le rôle du kinétochore durant la ségrégation des chromosomes dans l’ovocyte de souris en développement. Plus spécifiquement, l’assemblage, le désassemblage, la dynamique et la tension des protéines du kinétochore seront évalués. Ce projet permettra de mieux comprendre le rôle du kinétochore durant la méiose I, ses implications durant la séparation des chromosomes, et éventuellement ses implications dans l’aneuploïdie. / Chromosome segregation is an intricate process in dividing genetic material equally between daughter cells. This process, unlike in somatic cells, is error prone in germ cells like the oocyte. When errors occur during meiosis in segregating chromosomes, aneuploidy results when the cell has an incorrect number of chromosomes. This can result in infertility and birth defects in human reproduction. The incidences of aneuploidy are also seen to increase with increasing maternal age (1). The kinetochore is a cellular structure at the heart of chromosome segregation. It is composed of more than 100 proteins and is located between the microtubules and the centromeres. The microtubules attach onto the kinetochores, which themselves attach onto the centromeres, in order to pull the homologous chromosomes apart during meiosis and the sister chromatids during mitosis (1–3). Much is known about this multi-protein structure in somatic cells (2). Yet, very little is known about this in the developing mammalian oocyte during Meiosis I (1,3,4). This project aims to investigate the role of the kinetochore in chromosome segregation in a developing mouse oocyte. More specifically, kinetochore protein assembly, disassembly, dynamics and tension will be assessed. This project will achieve a better understanding of the kinetochore’s role in Meiosis I, its implications in chromosome segregation in a developing mouse oocyte, and how it may be involved in aneuploidy.

No description available.

Un couple canadien sur six aurait des problèmes de fertilité. Jusqu’à 70% des embryons humains générés en clinique de fertilité possèdent des cellules avec un nombre erroné de chromosomes appelées cellules aneuploïdes. L’aneuploïdie est le résultat d’une mauvaise ségrégation des chromosomes durant la division cellulaire et réduit les chances de grossesse à terme. Il fut démontré que les embryons ont un temps de division différent et que ce temps peut être un indicateur de sa santé. Cependant, comment cette division affecte l’embryon au niveau cellulaire reste à démontrer. Chez les cellules somatiques, le temps de divisions cellulaires (phase-M) est directement lié à l'intégrité chromosomique. Plus précisément, une phase-M prolongée peut provoquer une séparation prématurée des chromatides sœurs appelée "fatigue des cohésions" (CF). Indépendamment, divers mécanismes réduisent les erreurs de ségrégation des chromosomes. L’un d’entre eux, le point de contrôle de l'horloge mitotique (mitotic-timer) fut décrit chez les cellules somatiques comme actif après une prolongation de la phase-M provoquant ainsi un arrêt G1/S des cellules filles. L’existence du mitotic-timer et la présence de CF chez l'embryon de mammifère reste inconnues. Des travaux suggèrent que certains points de contrôle sont défaillants chez les embryons. Ici, nous faisons l’hypothèse que les embryons préimplantatoires n'ont pas de mitotic-timer et examinons leurs capacités de division après une exposition à des agents perturbateurs de la mitose. La durée de la phase-M fut manipulée chez des embryons de souris au stade deux-cellules avec un inhibiteur du complexe de promotion de l’anaphase. L'imagerie de cellules fixées et vivantes fut réalisée sur un microscope confocal et à fluorescence inversée. Contrairement aux cellules somatiques, les embryons préimplantatoires ne parviennent pas à activer le mitotic-timer après une phase-M prolongée de 6 heures au stade 2-cellules, et ils se développent jusqu'au stade blastocyste. Cette même extension conduit à la CF, qui induit des défauts de ségrégation chromosomique. En revanche, une extension extrême (14 heures) de la phase-M provoque un arrêt du cycle cellulaire à l'interphase suivante. Également, une accumulation de dommages à l'ADN est observée avec l'individualisation des chromosomes en phase-M. Pour résumer, une prolongation extrême de la phase-M provoque un arrêt du cycle cellulaire. Une phase-M de 6 heures suffit à provoquer des erreurs de ségrégation, mais n’active pas le mitotic-timer et conduit ainsi à une instabilité chromosomique. Par conséquent, comme les embryons sont sensibles à la CF, nous nous sommes demandé si les œufs en métaphase II, où le fuseau persiste pendant plusieurs heures, pourraient également être sujets à la CF. Pour tester cela, nous avons examiné des ovocytes de souris jeunes (2-3 mois) et âgées (16 mois), ainsi que des ovocytes humains. De manière frappante, la fréquence des chromosomes mal alignés n'était pas associée à la durée de l'arrêt en métaphase II, quel que soit l'espèce ou l'âge. En conclusion, contrairement aux embryons, les ovocytes en métaphase-II semblent protégés de la CF pour garantir l'intégrité du génome pendant l'arrêt prolongé qui précède la fécondation. Nous pensons que l’intégration de la durée de la phase-M pourrait améliorer la sélection des embryons viable en clinique. / One in six Canadian couples struggle with infertility. Nearly 70% of human embryos generated in fertility clinics contain aneuploid cells, possessing the wrong number of chromosomes due to errors during embryonic cell division in chromosome segregation. Aneuploidy reduces the risk of full-term pregnancy and is the cause of various genetic disorders. It has been reported that the timing of cell divisions in the early embryo is variable and may be an indicator of embryo health, but we have a limited understanding of how mitotic timing in the embryo impacts the embryo on a cellular level. In somatic cells the timing of cell divisions has recently been shown to relate directly to chromosome integrity. Specifically, extended M-phase can cause premature separation of sister chromatids, known as "cohesion fatigue" (CF). In addition, several checkpoints operate to reduce chromosome segregation errors. The mitotic timer (MitClock) has been described in somatic cells where an extended duration of M-phase can cause a subsequent G1/S arrest. But whether MitClock can operate in the mammalian embryo, and whether the embryo is susceptible to CF, are unknown. Other work suggests that well characterised genetic integrity-protecting pathways may be lacking in embryos. We therefore hypothesized that early mammalian embryos lack a mitotic clock checkpoint and we aimed to examine their ability to divide following exposure to mitotic disrupting agents. To address these questions, M-phase duration was manipulated in two-cell stage mice embryos with an anaphase promoting complex inhibitor. Fixed-cell and live imaging were performed on confocal and inverted fluorescence microscopes. In contrast to somatic cells, preimplantation embryos fail to activate MitClock after 6-hours in a prolonged M-phase at the 2-cell stage, and embryos develop to blastocysts. Importantly however, this same extension leads to CF, which induces chromosome segregation defects. In contrast, an extreme (14 hour) M-phase extension causes cell cycle arrest in the subsequent interphase, which we show involves the accumulation of DNA damage and is potentiated by chromosome individualisation in M-phase. To summarise, while extreme elongation of M-phase can cause cell cycle arrest, even a 6-hour M-phase is enough to elicit CF and chromosome segregation errors. The 6-hour M-phase fails to activate a mitotic clock checkpoint and thus leads to chromosomal instability. As we have shown that embryos are susceptible to CF, we wondered whether Metaphase-II eggs, where the spindle persists for several hours, might also be prone to CF. To test this, we examined oocytes from young (2-3 months) and old (16 months) mice, as well as human oocytes matured from GV stage from patients undergoing fertility treatment. Strikingly, the frequency of misaligned chromosomes was not associated with the length of Metaphase-II arrest regardless of species, or age. We conclude that, contrary to what we found to be the case for mitotic M-phases in the early embryo, the chromosomes on Metaphase-II spindles are protected from cohesion fatigue to protect genome integrity during the prolonged Metaphase-II arrest that precedes fertilization. Altogether, we speculate that integration of M-phase lengths into embryo selection algorithms may in future improve the ability to select the most viable embryo in the clinic.

La progresión meiótica y el desarrollo embrionario temprano están programados, en parte, por la activación tradcuccional de mRNAs maternos como lo son los que codifican para las proteinas de ciclina B1 o mos. Estos mRNAs no son traducidos al mismo tiempo ni en el mismo lugar. Por lo contrario, su traducción está especificamente regulada por elementos de poliadenilación citoplasmática (CPEs) presentes en sus 3'UTRs. Los elementos CPEs reclutan a la proteina de unión a CPE (CPE-binding protein CPEB (Colegrove-Otero et al., 2005; de Moor et al., 2005; Mendez and Richter, 2001; Richter, 2007)). Esta proteina de unión al RNA no sólo determina cuándo y en qué medida un mRNA será activado traduccionalmente por poliadenilación citoplasmática (Mendez et al., 2000a; Mendez et al., 2000b; Mendez et al., 2002) sino que también participa, junto con el represor de la traducción Maskin, en el transporte y la localización de sus mRNAs diana hacia los sitios de localización subcelular donde su traducción ocurrirá (Huang et al., 2003; Huang and Richter, 2004). Durante el desarrollo embrionario de Xenopus, CPEB se encuentra localizada en el polo animal de los oocitos y más tarde, sobre el huso mitótico y centrosomas en el embrión (Groisman et al., 2000). Se ha demostrado que embriones de Xenopus inyectados con agentes que interrumpen la traducción dependiente de poliadenilación citoplasmática, detienen la división celular y presentan estructuras mitóticas anormales (Groisman et al., 2000). En este trabajo que derivó en mi tesis doctoral, hemos demostrado que la activación traduccional localizada en el huso mitótico de mRNAs regulados por CPEB que codifican para proteinas con una conocida función en aspectos estructurales del ciclo celular como la formación del huso mitótico y la segregación cromosómica, es esencial para completar la primera división meiótica y para la correcta segregación cromosómica en oocitos de Xenopus.