Introdução. As Repetições Palindrômicas Curtas Agrupadas e Regularmente Interespaçadas (CRISPRs) são DNAs que consistem de repetições de nucleotídeos. Existem 3 tipos: CRISPR1-CAS, CRISPR3-CAS e CRISPR2. Os bacteriófagos são partículas virais que infectam bactérias. Os bacteriófagos SAP6, IME-EF1, BC-611, VD-13 e F4 são encontrados em E. faecalis assim como FL1ABC, FL2AB, FL3AB e FL4A. Objetivo. Identificar e caracterizar as classes de CRISPRs e bacteriófagos de E. faecalis e E. faecium isoaldos de amostras alimentares, clínicas e fezes de animais. Materiais e métodos. Foram usadas DNA de 153 isolados, sendo 98 de E. faecalis e 55 de E. faecium. A técnica de detecção foi a PCR utilizando iniciadores para os genes CRISPR1-Cas, CRISPR2, CRISPR3-cas e bacteriófagos, seguido por electroforese em gel de agarose. Resultados. Para E. faecalis foram detectadas 58 isolados que amplifacaram para o gene CRISPR1-Cas; 87 para CRISPR2 e 13 para CRISPR3-Cas. Para E. faecium foram detectadas 4 isolados positivos para o gene CRISPR1-Cas; 18 para CRISPR2 e 1 para CRISPR3-CAS. O bacteriófago FL2ABfoi detectado em 13 isolados de E. faecalis; o bacteriófago FL3AB em 13 isolados de E. faecalis e o FL4A em 28 isolados de E. faecalis. Conclusão. Neste estudo nos encontramos diferentes proporções e distribuições dos genes CRISPRs em E. faecalis e E. faecium. O bacteriófago FL4A apresentou-se como o mais frequente entre os bacteriófagos avalados. / Introduction. The CRISPR are small portions of DNA consisting of nucleotide repeats. There are three types of CRISPRs recognized: CRISPR-associated genes cas: CRISPR1-CAS and CRISPR3-CAS and a orphan locus lacking cas genes: CRISPR2. Bacteriophages are viral particles that infect bacterial. The bacteriophages SAP6, IME-EF1, BC-611 and F4 are found in E. faecalis as well as FL1ABC, FL2AB, FL3AB, FL4A. Objectivy: To Identify and to characterize CRISPRs genes and bacteriophage genes in E. faecalis and E. faecium isolated from food, clinical and animal fecal samples. Materials and methods. A total of 153 DNA samples were used, 98 from E. faecalis and 55 from E. faecium. The PCR technique using primers was used to detect the genes CRISPR1-Cas, CRISPR2, CRISPR3-cas and bacteriophages, followed the agarose gel electrophoresis. Results. To E. faecalis was detected 58 isolates that amplified the CRISPR1-Cas genes, 87 to CRISPR2 and 13 to CRISPR3-Cas. To E. faecium was detected 4 isolates positive to CRISPR1-Cas gene, 18 to CRISPR2 e 1 to CRISPR3-CAS. The FL2AB bacteriophage was detected in 13 isolates of E. faecalis; the FL3AB bacteriophage in 13 isolates of E. faecalis and the FL4A in 28 isolates of E. faecalis. Conclusion. In this work, we found out different proportions and distributions of CRISPRs genes in E. faecalis e E. faecium. The FL4A bacteriophage showed a high frequency among the bacteriophages tested.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T14:33:50Z No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-23T11:05:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-23T11:05:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) Previous issue date: 2017-08-08 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O advento sistema CRISPR/Cas9 tornou o processo de edição gênica consideravelmente mais fácil e direto, uma vez que retirou empecilhos técnicos relacionados aos sistemas já disponíveis. Desta forma, foram permitidos diversos avanços no entendimento da função de elementos genômicos, assim como a produção de embriões geneticamente modificados com diversas finalidades. O atual trabalho objetivou a edição gênica no gene da beta-lactoglobulina em células somáticas bovinas objetivando a produção futura de embriões da espécie geneticamente modificados. Considerando-se que a hipersensibilidade a essa proteína responde pela maior parte das alergias ao leite bovino, a produção de animais cujo leite não contenha essa molécula é de grande interesse para a indústria de laticínios. Durante os experimentos, foi possível obter uma linhagem de células bovinas MDBK expressando a enzima Cas9 (MDBK-Cas). Usando células MDBK e as células MBDK-Cas foi possível se obter com sucesso edições gênicas no locus beta-lactoglobulina utilizando-se os componentes do sistema CRISPR/Cas9 na forma de mRNA da proteína Cas9 e sgRNAs. Conclui-se que o sistema CRISPR/Cas9 pode ser usado com os sgRNA desenhados neste estudo para editar o gene da betalactoglobulina em células MDBK. Assim, células MDBK podem ser utilizadas como alvo o locus em estudo. Modelos de estudos para edição do genoma bovino. Em vista da escassa literatura constando de trabalhos em que tenha sido feita a edição gênica em embriões bovinos, os dados gerados por esse trabalho colaborarão para o avanço do estado da arte no que diz respeito a engenharia gênica de bovinos e no conhecimento do funcionamento do sistema CRISPR/Cas9. / The advent of the CRISPR / Cas9 system made the process of gene editing considerably easier and more straightforward, since it removed technical impediments related to the systems already available. In this way, several advances were made in the understanding of the function of genomic elements, as well as the production of genetically modified embryos for various purposes. The present work aimed at the genetic editing of the beta-lactoglobulin gene in bovine somatic cells aiming at the future production of genetically modified embryos of the species. Considering that hypersensitivity to this protein accounts for most of the allergies to bovine milk, the production of animals whose milk does not contain this molecule is of great interest to the dairy industry. During the experiments, it was possible to obtain a lineage of bovine MDBK cells expressing the Cas9 enzyme (MDBK-Cas). Using MDBK cells and MBDKCas cells it was possible to successfully obtain gene editions at the beta-lactoglobulin locus using the components of the CRISPR / Cas9 system as mRNA of the Cas9 protein and sgRNAs. It is concluded that the CRISPR / Cas9 system can be used with the sgRNAs designed in this study to edit the beta-lactoglobulin gene in MDBK cells. Thus, MDBK cells can be targeted as the locus under study. Models of studies for editing the bovine genome. In view of the scarce literature consisting of studies in which bovine embryos have been genetically engineered, the data generated by this work will contribute to the advancement of the state of the art regarding the genetic engineering of cattle and the knowledge of the functioning of the system CRISPR / Cas9.

Depuis la découverte de Phaeodactylum tricornutum par Bohlin en 1897, sa classification au sein de l'arbre de la vie a été controversée. En utilisant des morphotypes ovales et fusiformes Lewin a décrit en 1958 plusieurs traits caractéristiques de cette espèce rappelant la structure des diatomées mettant ainsi fin à la controverse sur la classification de P. tricornutum au sein des Bacillariophycées. Pour se faire, trois morphotypes (ovale, fusiforme et triradié) de Phaeodactylum tricornutum ont été observés. Au cours d’une centaine d’années environ, de 1908 à 2000, 10 souches de Phaeodactylum tricornutum (appelées écotypes) ont été collectées et stockées soit de manière axénique ou en l’état avec leur populations naturelles de bactéries dans les centres des ressources génétiques pour algues, cryo-préservées quand cela est possible. Divers outils cellulaires et moléculaires ont été établis pour disséquer et comprendre la physiologie et l'évolution de P. tricornutum, et/ou les diatomées en général. Grâce à des décennies de recherche et les efforts déployés par de nombreux laboratoires que P. tricornutum est aujourd’hui considérée comme une espèce modèle des diatomées. Le sujet de ma thèse traite majoritairement de la composition génétique et épigénétique du génome de P. tricornutum ainsi que de la diversité morphologique et physiologique sousjacente au sein des populations naturelles prospectées à différents endroits du globe. Pour se faire, j’ai généré les profils chromatiniens en utilisant différentes marques des modifications post-traductionnelles des histones (chapitres 1 et 2) et a également comparé la variation naturelle dans la distribution de certaines marques clés entre deux populations d’écotypes (chapitre 4). Nous avons également généré une carte de la diversité génétique à l’échelle du génome chez 10 écotypes de P. tricornutum révélant ainsi la présence d'un complexe d'espèces dans le genre Phaeodactylum comme la conséquence d’une hybridation ancienne (chapitre 3). Sur la base de nombreux rapports antérieurs et des observations similaires au sein de P. tricornutum, nous proposons l’hybridation naturelle comme une base solide et une possibilité plausible pour expliquer la diversité des espèces chez lest diatomées. De plus, nous avons mis à jour les annotations fonctionnelles et structurelles du génome de P. tricornutum (Phatr3, chapitre 2) et mis au point un algorithme de logiciel convivial pour aller chercher les cibles CRISPR du système d’édition du génome CRISPR / cas9 chez 13 génomes de phytoplancton incluant P. tricornutum (chapitre 5). Pour accomplir tout cela, j'ai utilisé diverses méthodes à la pointe de l’état de l’art comme la spectrométrie de masse, l’immunoprécipitation de la chromatine suivie de séquençage à haut débit ainsi que les séquençages du génome entier, de l'ARN et des protocoles d'édition du génome CRISPR et plusieurs logiciels / pipelines de calcul. Ainsi, le travail de thèse fournit une plate-forme complète qui pourra être utilisée à l’avenir pour des études épigénétiques, de génétiques moléculaires et fonctionnelles chez les diatomées en utilisant comme espèce modèle Phaeodactylum tricornutum. Ce travail est pionnier et représente une valeur ajoutée importante dans le domaine de la recherche sur les diatomées en répondant à des questions nouvelles ouvrant ainsi de nouveaux horizons à la recherche en particulier en épigénétique qui joue un rôle important mais pas encore assez apprécié dans le succès écologique des diatomées dans les océans actuels. / Since the discovery of Phaeodactylum tricornutum by Bohlin in 1897, its classification within the tree of life has been controversial. It was in 1958 when Lewin, using oval and fusiform morphotypes, described multiple characteristic features of this species that resemble diatoms structure, the debate to whether classify P. tricornutum as a member of Bacillariophyceae was ended. To this point three morphotypes (oval, fusiform and triradiate) of Phaeodactylum tricornutum have been observed. Over the course of approximately 100 years, from 1908 till 2000, 10 strains of Phaeodactylum tricornutum (referred to asecotypes) have been collected and stored axenically as cryopreserved stocks at various stock centers. Various cellular and molecular tools have been established to dissect and understand the physiology and evolution of P. tricornutum, and/or diatoms in general. It is because of decades of research and efforts by many laboratories that now P. tricornutum is considered to be a model diatom species. My thesis majorly focuses in understanding the genetic and epigenetic makeup of P. tricornutum genome to decipher the underlying morphological and physiological diversity within different ecotype populations. To do so, I established the epigenetic landscape within P. tricornutum genome using various histone post-translational modification marks (chapter 1 and chapter 2) and also compared the natural variation in the distribution of some key histone PTMs between two ecotype populations (chapter 4). We also generated a genome-wide genetic diversity map across 10 ecotypes of P. tricornutum revealing the presence of a species-complex within the genus Phaeodactylum as aconsequence of ancient hybridization (Chapter 3). Based on the evidences from many previous reports and similar observations within P. tricornutum, we propose natural hybridization as a strong and potential foundation for explaining unprecedented species diversity within the diatom clade. Moreover, we updated the functional and structural annotations of P. tricornutum genome (Phatr3, chapter 2) and developed a user-friendly software algorithm to fetch CRISPR/Cas9 targets, which is a basis to perform knockout studies using CRISPR/Cas9 genome editing protocol, in 13 phytoplankton genomes including P. tricornutum (chapter 5). To accomplish all this, I used various state-of-the-art technologies like Mass-Spectrometry, ChIPsequencing, Whole genome sequencing, RNA sequencing, CRISPR genome editing protocols and several computational softwares/pipelines. In brief, the thesis work provides a comprehensive platform for future epigenetic, genetic and functional molecular studies in diatoms using Phaeodactylum tricornutum as a model. The work is an addon value to the current state of diatom research by answering questions that have never been asked before and opens a completely new horizon and demand of epigenetics research that underlie the ecological success of diatoms in modern-day ocean.

Dans ce travail nous avons élaboré une nouvelle méthode de l'analyse de réseau à définir des membres possibles des voies moléculaires qui sont important pour ce phénotype en utilisant la « hit-liste » des expériences « omics » qui travaille dans le réseau intégré (le réseau comprend des interactions protéine-protéine, de transcription, l’acide ribonucléique micro-l’acide ribonucléique messager et celles métaboliques). La méthode tire des sous-réseaux qui sont construit des voies de quatre types les plus courtes (qui ne se composent des interactions protéine-protéine, ayant au minimum une interaction de transcription, ayant au minimum une interaction l’acide ribonucléique micro-l’acide ribonucléique messager, ayant au minimum une interaction métabolique) entre des hit –gènes et des soi-disant « exécuteurs terminaux » - les composants biologiques qui participent à la réalisation du phénotype finale (s’ils sont connus) ou entre les hit-gènes (si « des exécuteurs terminaux » sont inconnus). La méthode calcule la valeur de la centralité de chaque point culminant et de chaque voie dans le sous-réseau comme la quantité des voies les plus courtes trouvées sur la route précédente et passant à travers le point culminant et la voie. L'importance statistique des valeurs de la centralité est estimée en comparaison avec des valeurs de la centralité dans les sous-réseaux construit des voies les plus courtes pour les hit-listes choisi occasionnellement. Il est supposé que les points culminant et les voies avec les valeurs de la centralité statistiquement signifiantes peuvent être examinés comme les membres possibles des voies moléculaires menant à ce phénotype. S’il y a des valeurs expérimentales et la P-valeur pour un grand nombre des points culminant dans le réseau, la méthode fait possible de calculer les valeurs expérimentales pour les voies (comme le moyen des valeurs expérimentales des points culminant sur la route) et les P-valeurs expérimentales (en utilisant la méthode de Fischer et des transpositions multiples).A l'aide de la méthode masterPATH on a analysé les données de la perte de fonction criblage de l’acide ribonucléique micro et l'analyse de transcription de la différenciation terminal musculaire et les données de la perte de fonction criblage du procès de la réparation de l'ADN. On peut trouver le code initial de la méthode si l’on suit le lien https://github.com/daggoo/masterPATH / In this work we developed a new exploratory network analysis method, that works on an integrated network (the network consists of protein-protein, transcriptional, miRNA-mRNA, metabolic interactions) and aims at uncovering potential members of molecular pathways important for a given phenotype using hit list dataset from “omics” experiments. The method extracts subnetwork built from the shortest paths of 4 different types (with only protein-protein interactions, with at least one transcription interaction, with at least one miRNA-mRNA interaction, with at least one metabolic interaction) between hit genes and so called “final implementers” – biological components that are involved in molecular events responsible for final phenotypical realization (if known) or between hit genes (if “final implementers” are not known). The method calculates centrality score for each node and each path in the subnetwork as a number of the shortest paths found in the previous step that pass through the node and the path. Then, the statistical significance of each centrality score is assessed by comparing it with centrality scores in subnetworks built from the shortest paths for randomly sampled hit lists. It is hypothesized that the nodes and the paths with statistically significant centrality score can be considered as putative members of molecular pathways leading to the studied phenotype. In case experimental scores and p-values are available for a large number of nodes in the network, the method can also calculate paths’ experiment-based scores (as an average of the experimental scores of the nodes in the path) and experiment-based p-values (by aggregating p-values of the nodes in the path using Fisher’s combined probability test and permutation approach). The method is illustrated by analyzing the results of miRNA loss-of-function screening and transcriptomic profiling of terminal muscle differentiation and of ‘druggable’ loss-of-function screening of the DNA repair process. The Java source code is available on GitHub page https://github.com/daggoo/masterPATH

Malgré les progrès réalisés dans le séquençage de l’ADN, nous n’avons pas encore compris comment le phénotype d’un organisme se rapporte au contenu de son génome. Cependant, il est devenu clair que l'impact des gènes dépend du contexte. La simple présence d'un gène dans un génome ne nous informe pas du moment où il est exprimé et des autres gènes qui y sont exprimés. Comprendre comment l'expression des gènes est régulée est un élément nécessaire pour comprendre comment les phénotypes émergent d'un génotype donné. Les facteurs de transcription, qui peuvent activer ou réprimer l'expression d'un gène, forment un réseau complexe d'interactions entre eux et leurs gènes ciblés. Ce réseau consiste en une hiérarchie de groupes de facteurs de transcription fortement liés, chacun lié à des processus cellulaires distincts. La structure de ce réseau de régulation transcriptionnelle est-elle significative pour la réponse transcriptionnelle d'une cellule? Ici, nous utilisons une protéine de liaison à l'ADN programmable appelée CRISPR (répétitions courtes palindromiques groupées régulièrement) pour perturber l'expression génique des régulateurs globaux au sein du réseau de régulation transcriptionnelle. Ces régulateurs mondiaux régulent de nombreux processus cellulaires distincts et ont de nombreuses cibles génétiques. Le système CRISPR nous permet de perturber ces régulateurs dans toutes les combinaisons possibles, y compris les perturbations d'ordre supérieur avec tous les régulateurs mondiaux potentiellement ciblés perturbés en même temps. Nous enregistrons ensuite à la fois le modèle d'expression du transciptome en utilisant le séquençage de l'ARN et l'adéquation de chaque souche. Nous trouvons que la structure du réseau de régulation augmente la dimensionnalité de la réponse transcriptionnelle plutôt que de la réduire. Cela se traduit par une épistasie importante au-delà des interactions par paires. Cela a des implications sur la façon dont ces réseaux évoluent. L'épistasie par paires que nous trouvons entre les facteurs de transcription globaux repose sur la présence ou l'absence d'autres perturbations. Cela implique que d'autres perturbations pourraient agir comme des mutations de potentialisation. Le nombre de voies d'évolution potentielles augmente avec les épistasies d'ordre élevé, même si cela ne nous dit rien sur la qualité de ces voies. Fait important, les répliques de cette thèse sont toujours en cours et les données présentées ici n’ont pas encore exclu les artefacts expérimentaux. / Despite advances in DNA sequencing, we have yet to understand how an organism’s phenotype relates to the contents of their genome. However it has become clear that the impact of genes are context dependant. The mere presence of a gene within a genome does not inform us of when it is expressed, and which other genes are expressed along with it. Understanding how gene expression is regulated is a necessary piece of understanding how phenotypes emerge from a given genotype. Transcription factors, which can activate or repress the expression of a gene, form a complex network of interactions between themselves and their targeted genes. This network consists of a hierarchy of groups of strongly connected transcription factors, each relating to distinct cellular processes. Is the structure of this transcriptional regulatory network significant to the transcriptional response of a cell? Here we use a programmable DNA binding protein called CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to perturb gene expression of global regulators within the transcriptional regulatory network. These global regulators are regulating many distinct cellular processes and have many genetic targets. The CRISPR system allows us to perturb these regulators in all possible combinations, including higher order perturbations with potentially all targeted global regulators perturbed at the same time. We then record both the expression pattern of the transciptome using RNA sequencing, and the fitness of each strain. We find that the structure of the regulatory network increases the dimensionality of the transcriptional response rather than reducing it. This results in significant high order epistasis beyond pair-wise interactions. This has implications for how these networks evolve. The pair-wise epistasis we find between global transcription factors rely on the presence or absence of other perturbations. This implies that other perturbations could act as potentiating mutations. The number of potential evolutionary paths increases with high order epistasis, although this alone tells us nothing about the quality of those paths. Importantly, the replicates for this thesis are still on-going and the data presented here has not yet excluded experimental artefacts.

Les nucléases programmables et site-spécifiques comme CRISPR-Cas9 sont des signes avant-coureurs d’une nouvelle révolution en génie génétique et portent en germe un espoir de modification radicale de la santé humaine. Le « multiplexing » ou la capacité d’introduire plusieurs modifications simultanées dans le génome sera particulièrement utile en recherche tant fondamentale qu’appliquée. Ce nouvel outil sera susceptible de sonder les fonctions physiopathologiques de circuits génétiques complexes et de développer de meilleures thérapies cellulaires ou traitements antiviraux. En repoussant les limites du génie génétique, il sera possible d’envisager la réécriture et la conception de génomes mammifères. Le développement de notre capacité à modifier profondément le génome pourrait permettre la création de cellules résistantes aux cancers, aux virus ou même au vieillissement ; le développement de cellules ou tissus transplantables compatibles entre donneurs et receveurs ; et pourrait même rendre possible la résurrection d’espèces animales éteintes. Dans ce projet de recherche doctoral, nous présentons l’état de l’art du génie génétique « multiplex », les limites actuelles et les perspectives d’améliorations. Nous tirons profit de ces connaissances ainsi que de l’abondance des éléments transposables de notre ADN afin de construire une plateforme d’optimisation et de développement de nouveaux outils de génie génétique qui autorisent l’édition génomique à grande échelle. Nous démontrons que ces technologies permettent la production de modifications à l’échelle du génome allant jusqu’à 3 ordres de grandeur supplémentaires que précédemment, ouvrant la voie au développement de la réécriture des génomes de mammifères. En outre, l’observation de la toxicité engendrée par la multitude de coupures double-brins dans le génome nous a amenés à développer un bio-interrupteur susceptible d’éviter les effets secondaires des thérapies cellulaires actuelles ou futures. Enfin, en conclusion, nous exposons les potentielles inquiétudes et menaces qu’apporte le domaine génie génétiques et apportons des pistes de réflexions pour diminuer les risques identifiés. / Programmable and site-specific nucleases such as CRISPR-Cas9 have started a genome editing revolution, holding hopes to transform human health. Multiplexing or the ability to simultaneously introduce many distinct modifications in the genome will be required for basic and applied research. It will help to probe the physio-pathological functions of complex genetic circuits and to develop improved cell therapies or anti-viral treatments. By pushing the boundaries of genome engineering, we may reach a point where writing whole mammalian genomes will be possible. Such a feat may lead to the generation of virus-, cancer- or aging- free cell lines, universal donor cell therapies or may even open the way to de-extinction. In this doctoral research project, I outline the current state-of-the-art of multiplexed genome editing, the current limits and where such technologies could be headed in the future. We leveraged this knowledge as well as the abundant transposable elements present in our DNA to build an optimization pipeline and develop a new set of tools that enable large-scale genome editing. We achieved a high level of genome modifications up to three orders of magnitude greater than previously recorded, therefore paving the way to mammalian genome writing. In addition, through the observation of the cytotoxicity generated by multiple double-strand breaks within the genome, we developed a bio-safety switch that could potentially prevent the adverse effects of current and future cell therapies. Finally, I lay out the potential concerns and threats that such an advance in genome editing technology may be bringing and point out possible solutions to mitigate the risks.

La leucémie myéloïde chronique (LMC) a été le premier cancer humain associé à une anomalie chromosomique : le chromosome de Philadelphie. Le gène de fusion BCR-ABL1 résultant code pour une tyrosine kinase ayant une activité dérégulée. Les inhibiteurs de tyrosine kinase (ITKs), qui inactivent la protéine BCR-ABL1, représentent la thérapie ciblée la plus efficace pour la LMC en phase chronique. Cependant, la LMC en phase avancée ne répond pas bien au traitement par les ITKs. Les mécanismes sous-jacents à la progression de la LMC ne sont pas bien compris. Par conséquent, la découverte de gènes qui coopèrent avec l’oncogène BCR-ABL1, et qui pourraient expliquer la progression de la LMC vers des phases avancées, est nécessaire pour l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques de la LMC. Nous proposons d'établir un modèle cellulaire humain permettant l'identification de gènes capables de coopérer avec l'oncogène BCR-ABL1 pour une transformation tumorale complète. Ce système repose sur l'expression de BCR-ABL1 et l'inactivation d'autres gènes en particulier à l'aide de la technologie CRISPR-Cas9. L'identification des gènes coopérant avec BCR-ABL1 permettra la création de modèles cellulaires pour faciliter la sélection de médicaments capables de traiter la LMC dans les phases finales. Dans un second temps, une étude approfondie du gène TP53 a été menée. Ce gène étant muté dans plus de 50% des cancers, il est important de déterminer les conséquences de son inactivation dans des fibroblastes humains non tumoraux. La technologie CRISPR-Cas9 a été utilisée afin d’inactiver ce gène en particulier. Puis les cellules exprimant la forme sauvage ou la forme inactivée de p53 ont subi un traitement à la nutline-3a. Cette molécule empêche l’interaction du facteur de transcription p53 avec son inhibiteur MDM2. Des analyses transcriptomiques ont alors permis d’identifier d’une part les cibles aspécifiques de la nutline-3a et d’autre part les gènes cibles de p53 dans cette lignée de fibroblaste. / Chronic myeloid leukemia (CML) was the first human cancer to be consistently associated with a chromosomal abnormality: the Philadelphia chromosome. The resulting BCR-ABL1 fusion gene encodes a tyrosine kinase with deregulated activity. Tyrosine kinase inhibitors (TKIs) inactivating the BCR-ABL protein represent the most successful targeted therapy for CML in chronic phase. However, advanced CML does not respond well to TKIs treatment. The mechanisms underlying the progression of CML are not well understood. Therefore, the discovery of genes that cooperate with the BCR-ABL1 oncogene, which could explain the progression of CML to advanced phases, is required for the identification of novel therapeutic targets of CML. We propose to establish a human cellular model system that allows the identification of genes that are able to cooperate with the oncogene BCR-ABL1 for full tumoral transformation. This system relies on the expression of BCR-ABL1 and the generation of gene knock-out by using the CRISPR-Cas9 technology. Identification of genes cooperating with BCR-ABL1 will permit the creation of cellular model systems for identifying drugs that are able to treat CML in final phases. Secondly, we performed a detailed study of TP53 function. This gene is mutated in more than 50% of all cancer types. It is therefore crucial to understand the impact of its inactivation in human fibroblast cells. The CRISPR/Cas9 system was used to inactivate this gene. Wild-type and TP53 knock-out cells subsequently underwent nutlin-3a treatment. This molecule blocks the interaction between p53 and its regulator: MDM2. Transcriptomic analyses were performed to further study p53 regulated genes, and also to discover other potential nutlin-3a targets.

Somatische Mutationen sind eine Hauptursache für die Entstehung von Krebs. Allerdings tragen nicht alle Mutationen gleichermaßen zur Tumorentstehung bei. Ein wichtiges Ziel der personalisierten Medizin ist es daher, die für das Wachstum und Überleben des Tumors wesentlichen (sogenannte „Treiber“-Mutationen) von den zahlreichen biologisch neutralen Mutationen (sogenannte „Passagier“-Mutationen) zu unterscheiden. In der vorliegenden Studie etablierte ich einen CRISPR-basierten, genetischen Screen mit dessen Hilfe die funktionelle Rolle von Mutationen bei Krebs untersucht werden kann. Ich konnte nachweißen, dass diese mutationsselektive Strategie geeignet ist, um neue Krebstreibermutationen in der Kolorektalkarzinom- Zelllinie RKO zu identifizieren. Dazu verwendete ich 100 unterschiedliche sgRNAs, welche jeweils eine Krebsmutationssequenz spezifisch schneiden während die Wildtyp-Sequenz nicht verändert wird. Als Kontrolle nutzte ich die Kolorektalkarzinom- Zelllinie HCT116, welche die Zielmutationen nicht trägt. Interessanterweise ergab die Datenanalyse, dass zwei sgRNAs, welche die gleiche Mutation (UTP14A: S99del) schneiden, besonders rasch und ausschließlich in RKO-Zellen verloren gingen. Im Einklang mit den Screening-Ergebnissen führte die individuelle Infektion der Zellen mit diesen sgRNAs zu einem selektiven Verlust in RKO-, nicht aber HCT-Zellen, wodurch UTP14A: S99del als mutmaßliche Treiber-Mutation in RKO-Zellen identifiziert werden konnte. Die weitere Validierung und Charakterisierung dieser mutmaßlichen Treiber-Mutation wird diskutiert. Insgesamt zeigt dieser Ansatz, dass ein solches CRISPR-basiertes System ein leistungsfähiges Werkzeug auch für umfangreichere Untersuchungen von Krebsmutationen darstellt. Parallel dazu setzte ich die CRISPR-Cas-Technologie ein, um bekannte und bisher nicht therapierbare Treiber-Mutationen, wie z.B. innerhalb der Ras-Onkogen-Familie, zu untersuchen. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass jeder dritte Krebspatient ein durch Mutationen aktiviertes KRAS exprimiert, welches damit das am häufigsten mutierte Onkogen in menschlichen Tumorzellen ist. Im Gegensatz zu anderen Molekülen des MAPK-Signalweges konnte KRAS bisher nicht mittels kleiner, inhibitorischer Moleküle inaktiviert werden. Unter diesen Voraussetzungen birgt ein genomischer, CRISPR-basierter Ansatz das Potenzial, eine dringend benötigte therapeutische Alternative zur KRAS-Inaktivierung zu liefern. Ich entwarf daher drei mutationsselektive sgRNAs abzielend auf die häufigsten KRAS-Mutationen. Obwohl diese Strategie geeignet war, um KRAS-mutierte Tumorzellen in 3 unterschiedlichen Krebszelllinien effizient und spezifisch zu entfernen, führte die langfristige Cas9-Expression zur Bildung von onkogenen, resistenten Klonen. Dieses Phänomen wird durch DNA-Doppelstrangbrüche und die nachfolgend einsetzende, endogene DNA-Reparaturmaschinerie begünstigt. Ich konnte zeigen, dass der Adenin-Basen-Editor im Gegensatz dazu nicht nur in der Lage ist, die KRAS-Mutation ohne Doppelstrangbruch zu inaktivieren, sondern diese auch zur Wildtyp-Sequenz reparieren kann. Mit Hilfe dieses Ansatzes erreichte ich insbesondere bei Vorliegen der G12D-Mutation, einen fast vollständigen Abbau der KRAS-korrigierten Zellen. Die Validierung in patienten-abgeleiteten KRAS-G12D-Organoiden bestätigte die effiziente Korrektur sowie die daraus resultierende erhöhte Sensitivität, wenn auch in einem geringeren Maße als in Zelllinien. Somit konnte in dieser Studie erstmals gezeigt werden, dass Basen-Editierung sowohl in Zelllinien als auch in Organoiden, welche aus Tumorzellen der Patienten stammen, erfolgreich eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist dieses System gut verträglich und induziert weder in Zelllinien noch in Organoiden bei Vorliegen des KRAS Wildtyps unerwünschte Nebeneffekte (sogenannte „Off-target-Effekte“). Langfristig kann die Anwendung von CRISPR-basierten- und Basen-Editierungs-technologien zum Ausschalten von KRAS-Mutationen nicht nur zu einem besseren Verständnis der RAS-Biologie führen, sondern zusammen mit neuen Verabreichungsformen und Technologien die Grundlage für eine dringend benötigte KRAS-Therapie bilden.

Mutations in the leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) gene are a major cause of Parkinson’s disease (PD), which is why modelling PD by replicating effects in animal models attracts great interest. However, the exact mechanisms of pathogenesis are still unclear. While a gain-of-function hypothesis generally receives consensus, there is evidence supporting an alternative loss-of-function explanation. Yet, neither overexpression of the human wild-type LRRK2 protein or its pathogenic variants, nor Lrrk2 knockout recapitulates key aspects of human PD in rodent models. Furthermore, there is conflicting evidence from morpholino knockdown studies in zebrafish regarding the extent of zygotic developmental abnormalities. Because reliable null mutants may be useful to infer gene function, and because the zebrafish is a more tractable laboratory vertebrate system than rodents to study disease mechanisms in vivo, clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein-9 nuclease (Cas9) genomic editing was used to delete the ~60-kbp-long zebrafish lrrk2 locus containing the entire open reading frame. Constitutive removal of both the maternal and the zygotic lrrk2 function (mzLrrk2 individuals) causes a pleomorphic phenotype in the larval brain at 5 days post-fertilisation (dpf), including increased cell death, delayed myelination, and reduced and morphologically abnormal microglia/leukocytes. However, the phenotype is transient, spontaneously attenuating or resolving by 10 dpf, and the mutants are viable and fertile as adults. These observations are mirrored by whole-larva transcriptome data, revealing a more than eighteen-fold drop in the number of differentially expressed genes in mzLrrk2 larvae from 5 to 10 dpf. Additionally, analysis of spontaneous swimming activity shows hypokinesia as a predictor of Lrrk2 protein deficiency in larvae, but not in adult fish. Because the catecholaminergic (CA) neurons are the main clinically relevant target of PD in humans, the CA system of larvae and adult fish was analysed on both cellular and metabolic level. Despite an initial developmental delay at 5 dpf, the CA system is structurally intact at 10 dpf and later on in adult fish aged 6 and 11 months. However, monoamine oxidase (Mao)-dependent degradation of biogenic amines, including dopamine, is increased in older fish, possibly suggesting impaired synaptic transmission or a leading cause of cell damage in the long term. Furthermore, decreased mitosis rate in the larval brain was found, in the anterior portion only at 5 dpf, strongly and throughout the whole organ at 10 dpf. Conceivably, lrrk2 may have a more general role in the control of cell proliferation during early development and a more specialised one in the adult stage, possibly conditional, for example upon brain damage. Because the zebrafish can regenerate lost neurons, it represents a unique opportunity to elucidate the endogenous processes that may counteract neurodegeneration in a predisposing genetic background. To this aim, the regenerative potential of the adult telencephalon upon stab injury was tested in mzLrrk2 fish. Indeed, neuronal proliferation was reduced, suggesting that a complete understanding of Lrrk2 biology may not be fully appreciated without recreating challenging scenarios. To summarise, the present results demonstrate that loss of lrrk2 has an early effect on zebrafish brain development that is later often compensated. Nonetheless, perturbed aminergic catabolism, and specifically increased Mao-dependent aminergic degradation, is reported for the first time in a LRRK2 knockout model. Furthermore, a link between Lrrk2 and the control of basal cell proliferation in the brain, which may become critical under challenging circumstances such as brain injury, is proposed. Future directions should aim at exploring which brain cell types are specifically affected by the mzLrrk2 hypoproliferative phenotype and the resulting consequences on a circuitry level, particularly in very old fish (i.e., over 2 years of age).

La distribution des sucres est un processus clé dans le développement de la plante et cours des interactions plantes/microorganismes.Une recherche des acteurs moléculaires impliqués dans la répartition des ressources carbonées au cours de l'interaction avec le champignon nécrotrophe B. cinerea a été réalisée. Plusieurs familles de transporteurs de sucres et d'invertases ont été ciblées, permettant d'établir une cartographie des gènes régulés transcriptionnellement lors de l'interaction. Le rôle de certains gènes candidats a été étudié par une approche de génomique fonctionnelle afin de mettre en évidence une fonction biologique de l'allocation du carbone dans la résistance de la plante aux champignons nécrotrophes. Un système d'interaction simplifié, basé sur un dialogue moléculaire sans contact physique entre une culture cellulaire d'A. thaliana et B. cinerea, a été développé. Il a permis de mesurer les flux de sucres ainsi que les activités enzymatiques et métaboliques pour chaque partenaire. Nos résultats montrent que B. cinerea entraine une forte augmentation de l'activité invertasique pariétale dans les tissus infectés, indiquant qu'une transition source/puits a lieu. Plusieurs transporteurs de sucres sont différentiellement exprimés, certains d'entre eux modulant le devenir de l'interaction. L'activité d'absorption d'hexoses et le métabolisme primaire des cellules hôtes sont fortement stimulés, démontrant l'importance de la compétition pour les sucres à l'interface plante/agent pathogène. En conclusion, l'absorption des sucres alimente le métabolisme énergétique des cellules hôtes et participe aux mécanismes de défense de la plante. / During plant development and upon pathogen infection, sugar allocation is a key process in plant physiology. Cell wall invertases and sugar transporters, involved in the sink strength, likely play a major role in the metabolic plant response. Molecular actors involved in carbohydrates allocation upon B. cinerea interaction have been identified using a transcriptional approach. Some gene families of sugar transporters and invertases have been targeted, allowing the establishment of a cartography of genes regulated during the interaction. To understand the biological role of carbon allocation during the interaction between plants and necrotrophic fungi, candidate genes have been studied using a functional genomics approach.A simplified interaction system has been developped, allowing a molecular dialogue between Arabidopsis and B. cinerea cells, without any physical contact. This system enables the monitoring of radiolabelled sugar uptake rates and some enzymatic and metabolomic activities for both the host cells and the pathogen, independently.Globally, our results demonstrate that B. cinerea infection leads to the transition from a source to a sink tissue, with a strong increase in cell wall invertase activity. The expression of some sugar transporter genes is also affected, while some of them (AtSTP1 and 13) are involved in the disease development. Besides the increase in hexose uptake activity, primary metabolism is deeply affected, highlighting the competition for apoplastic sugars that takes place at the plant/pathogen interface. Sugar retrieval appears to be a key process, fuelling host cells with energy and signal molecules, contributing to the plant defense mechanisms.