La leucémie myélomonocytaire chronique (LMMC) est une pathologie clonale de la cellule souche hématopoïétique qui touche principalement les personnes âgées. Le seul traitement curatif de cette maladie est la greffe allogénique de cellules souches hématopoïétiques, souvent difficile à mettre en oeuvre. Les patients qui ne peuvent être greffés et dont la maladie présente des critères de gravité se voient proposer un agent déméthylant de l'ADN. Chez 30 à 40% d'entre eux, ce traitement induit une réponse objective dont le bénéfice en termes de survie n'est pas démontré. Le séquençage de gènes candidats a identifié une trentaine de gènes mutés de façon récurrente. Il s'agit de gènes codant des régulateurs épigénétiques, des facteurs d'épissage, des facteurs de transcription, et des protéines de la signalisation intracellulaire. Cette approche ne donnait qu'une vision partielle des événements génétiques associés à la maladie.Le premier objectif de cette thèse a été de recenser l'ensemble des mutations touchant les régions codantes et non codantes de l'ADN dans les cellules leucémiques des patients.Le séquençage de l'exome de cellules malades et de cellules contrôles a été réalisé chez 49 patients. Nos analyses ont montré qu'en moyenne, un patient porte 14 mutations somatiques dans les régions codantes. Nous avons confirmé que les mutations récurrentes les plus fréquentes affectaient les gènes TET2, SRSF2 et ASXL1. Nous avons aussi identifié 8 nouveaux gènes mutés de façon récurrente à une faible fréquence. En moyenne, 3 des 14 mutations affectent des gènes touchés de façon récurrente.Le séquençage du génome de cellules malades et de cellules contrôles a été réalisé chez 17 patients. L'analyse réalisée a détecté 475 mutations par patient dans les régions non répétées du génome. Dans l'exome, comme dans le reste du génome, les altérations principales sont des transitions. Deux signatures mutationnelles ont été identifiées et sont observées dans de nombreux cancers, traduisant probablement des altérations de la méthylation des cytosines au cours du vieillissement. Une troisième signature, jamais observée jusqu'alors et de signification indéterminée, a été détectée chez 2 patients.Nous avons alors répété l'analyse de l'exome dans les monocytes triés de 17 patients prélevés de façon séquentielle sur plus de 2 années : 6 n'ont pas été traités et 11 ont été traités par un agent déméthylant, parmi lesquels 6 sont restés stables et 5 ont montré une réponse clinique et biologique objective. L'analyse montre que 1) l'accumulation de mutations est un événement rare ; 2) l'hétérogénéité génétique du clone malade est limitée ; 3) la charge allélique des mutations reste inchangée, même chez les répondeurs ; 4) de nouvelles mutations peuvent apparaître alors que le patient est répondeur.Nous avons alors sélectionné 9 patients, 3 non traités, 3 stables sous traitement sans réponse objective, et 3 répondeurs. Nous avons collecté leurs monocytes avant tout traitement et quelques mois plus tard, alors que 6 d'entre eux étaient traités par un agent déméthylant. Nous avons analysé l'expression des gènes et la méthylation globale de l'ADN à ces deux temps. Chez les patients non traités, nous avons observé une remarquable stabilité de l'expression des gènes et de la méthylation de l'ADN. Chez les patients répondeurs, le traitement induit un changement significatif du niveau d'expression d'environ 500 gènes et la déméthylation d'environ 35,000 régions de l'ADN. Chez les patients stables sous traitement, le traitement induit un changement d'expression d'une soixantaine de gènes et du niveau de méthylation d'une centaine de régions seulement. Ces résultats suggèrent que les agents déméthylants n'affectent l'expression des gènes et la méthylation de l'ADN que chez les répondeurs, fournissant un argument important pour un effet essentiellement épigénétique et très peu cytotoxique de ces médicaments. / Chronic myelomonocytic leukemia is a clonal disorder of the hematopoietic stem cell, affecting mainly the elderly. The only curative therapeutic is allogeneic stem cell transplantation, which is rarely feasible. When transplantation is not an option, patients with a severe disease can be treated with a demethylating agent. Thirty to 40% of these patients show hematological improvement, but it remains unknown if these drugs increase overall survival. Analysis of candidate genes by Sanger sequencing, then by New Generation Sequencing, identified about thirty genes that are frequently mutated. These genes encode epigenetic regulators, splicing factors, transcription factors and cell signalling regulators. However, this approach catched only part of the genetic events that characterize this disease.The first objective of this study was to determine the mutational landscape of CMML cells by analyzing the coding and non coding regions of leukemic cell genome.We first performed whole exome sequencing analysis of leukemic and control cells in 49 patients. These analyses showed that in average, a patient carries 14 somatic mutations in its coding regions. We confirmed that the most frequent mutations were in TET2, SRSF2 and ASXL1 genes. We identified also recurrent mutations in 8 new genes, these recurrent mutations occurring at a low frequency. In average, 3 out of the 14 mutations identified in each patient affected recurrently mutated genes.Secondly, we performed whole genome sequencing of leukemic and control cells in 17 patients. These analyses showed that in average, a patient carries 475 somatic mutations in the non repeated regions of the genome. In both the coding and non coding sequences, alterations were observed to be mainly transitions. As a signature of CMML, two mutational processes were identified in all 17 patients and are found in various other cancer types, most likely resulting from the cytosine methylation observed with ageing. A third process, never seen before and without known significance, was also detected in two patients.We collected several samples from 17 patients on a more than two year period: 6 of these patients remained untreated whereas 11 were treated with demethylating agent, among which 6 showed a stable disease and 5 fulfilled criteria of hematological improvement. These sequential analyses showed that 1) the occurence of new mutations is a relatively rare event ; 2) the genetic heterogeneity of the malignant clone is limited ; 3) the mutation allele burden remains unchanged under treatment, whatever the response ; 4) new mutations can appear, even in responding patients.We selected 9 patients, 3 untreated, 3 stable on therapy and 3 responders. We collected monocytes before treatment and a few months later and we analyzed gene expression and DNA methylation in sorted monocytes at these two time points. We did not detect any significant change in gene expression and DNA methylation pattern in untreated patients. In those who responded to treatment, we noticed significant changes in both gene expression, with about 500 deregulated genes, and the DNA methylation pattern, with about 35,000 demethylated regions. In stable patients, the treatment had a limited effect with changes in the expression of about 60 genes, and in the DNA methylation pattern of about 100 regions. These results show that demethylating agents affect gene expression and DNA methylation of responding patients only, suggesting they have mostly an epigenetic effect rather than a cytotoxic one.

Le domaine de l'épigénétique couvre l'ensemble des phénomènes héritables et transmissibles qui interviennent dans l'expression du génome sans modifier la séquence nucléotidique. L'information épigénétique est régulée par les modifications de la chromatine impliquant les histones et l'ADN. La méthylation de l'ADN est un phénomène réversible jouant un rôle crucial dans l'expression des gènes puisque la méthylation des promoteurs de gènes empêche leur transcription. La modulation aberrante de cette marque épigénétique est associée à diverses pathologies telles que le cancer. Cette méthylation étant réversible, elle peut être ciblée afin de reprogrammer la cellule cancéreuse. Les méthyltransferases d'ADN (DNMT), étant les enzymes responsables de la méthylation, représentent la cible principale de notre stratégie de recherche. Leur inhibition par des petites molécules est au centre de nos recherches de thérapies anticancéreuses dont les bases sont représentées par deux catégories d'inhibiteurs de DNMT existant. Les premiers sont des analogues de cytosine qui est la cible de la méthylation. Ils sont connus pour s'intégrer dans l'ADN et former un complexe covalent irréversible avec l’enzyme (complexe suicide) mais ils souffrent d'un manque de stabilité et de certains effets indésirables dus à leur incorporation dans l’ADN. Les seconds sont les inhibiteurs non nucléosidiques qui sont divers et parfois connus pour cibler d’autres enzymes. Ils ont l’avantage de pouvoir être utilisés comme sondes pour comprendre plus précisément le mécanisme d'inhibition mais ils manquent de spécificité et de sélectivité. Au cours de cette thèse, une banque de molécules a été criblée à partir de la combinaison d'un test enzymatique et d'un test cellulaire visant à inhiber ces enzymes. Les synthèses de trois familles de molécules potentiellement inhibitrices de DNMT issus de ce criblage sont décrites en expliquant le chemin de drug design emprunté pour obtenir des informations mécanistiques d’inhibition de la méthylation d’ADN, notamment de réactivité avec la cible. Les découvertes ont été inspirées par des études de modélisation permettant de mettre en évidence une sélectivité de certains inhibiteurs. La synthèse chimique a également abouti à une nouvelle voie de synthèse d’accès aux diaminopyrimidines dont l’impact permet de faciliter les études chimiques de dérivés quinazolines comme inhibiteur non nucléosidiques utiles pour les thérapies anticancéreuses. / Epigenetic is defined as the study of heritable changes in the genes expression without altering the DNA sequence. Two main processes are implicated in this field, the histones modifications and the DNA methylation. By introducing an acetyl or a methyl group on the histone tails or by methylation of DNA, the chromatin state is modified and the gene expression is controlled. Aberrant epigenetic modifications are associated with several diseases, in particular with cancer. In cancer cells, the whole DNA is hypomethylated, thus promoting genome instability, while the promoter region is hypermethylated, inducing silencing of these genes. Overall, these observations indicate that DNA methylation is a central epigenetic process in cancerogenesis. Since DNA methylation is reversible, it is possible to target the methylation process in order to reactivate tumor suppressor genes. The DNA methyltransferases (DNMTs), the enzymes responsible for DNA methylation, use the SAM co-factor at specific CpG sites to product 5-methylcytosine. Three main isoforms (DNMT1, DNMT3A and DNMT3B) are described to ensure efficient methylation process during replication. Two families of DNMT inhibitors already exist, the nucleosidiques analogues are cytidine derivatives and are toxic molecules because of their incorporation into DNA, and the non-nucleosidic analogues are less toxic but also less potent. Our strategy of drug design is based on docking study and high throughput screening (HTS) information. First, novel potent derivatives of reference inhibitors are designed from molecular modelling. Then, three different families of compounds from HTS are described with appropriate structure-activity relationship studies. Mechanistic information on DNA methylation process are described through the discovery of a reactive inhibitor of DNMT3A. The study on a family of hydrazone derivatives of gallic acid is depicted and shows its selectivity for DNMT3A, compared to DNMT1, based on docking study. An alternative chemical pathway to diaminopyrimidines is described and extended to the synthesis of quinazolone in order to synthesize new quinazoline derivatives as potent inhibitors of DNMT. Promising informations are described in this thesis to enrich epigenetic knowledge of tumor genesis and to provide new molecules for anticancer therapy.

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La pollution atmosphérique et les évènements météorologiques sont reconnus pour avoir des graves conséquences sur la santé telles que la mortalité cardiovasculaire et respiratoire, et par conséquent représentent un enjeu majeur de santé publique. Des travaux plus récents ont suggéré un effet des expositions à ces facteurs environnementaux durant la période intra-utérine. La vie fœtale est déterminante pour le bon développement de l’enfant. L’exposition maternelle aux facteurs environnementaux pendant la grossesse pourrait avoir des conséquences sur les issues de grossesse et la santé à court ou long terme. Par ailleurs, les mécanismes biologiques qui pourraient expliquer l’effet des expositions environnementales sur les issues de grossesse indésirables sont à l’heure actuelle très peu connus. Les objectifs de la thèse étaient : 1) d’étudier les associations entre d’une part la température et l’humidité relative pendant la grossesse et d’autre part le poids de naissance, la durée de gestation et la prématurité ; 2) d’étudier les associations entre l’exposition maternelle aux polluant de l’air et aux évènements météorologiques pendant la grossesse et la méthylation de l’ADN placentaire en utilisant A) une approche agnostique et B) une approche avec a priori basée sur l’intégration de connaissances biologiques. Le premier objectif s’est appuyé les données issues de deux cohortes mère-enfant, EDEN (avec un recrutement à Poitiers et Nancy en 2003-2006) et PELAGIE (Bretagne, 2002-2006) soit au total 5185 couples mère-enfant ; le deuxième objectif s’est appuyé sur un échantillon de 668 femmes de la cohorte EDEN chez qui le placenta a été prélevé et le niveau de méthylation de son ADN caractérisé. Les données quotidiennes de température et d’humidité ont été obtenues de Météo-France et l’exposition à la pollution atmosphérique a été estimée par un modèle de dispersion atmosphérique. Différentes fenêtres d’exposition au cours de la grossesse ont été considérées. Des échantillons de placenta centraux ont été collectés à l’accouchement et la méthylation de l’ADN a été analysée en utilisant la puce Illumina 450K. Pour répondre au premier objectif, des modèles de régression linéaire et des modèles de Cox ont été réalisés. Pour répondre au second objectif, des modèles de régression linéaire robuste, notamment à l’échelle du génome entier, ont été réalisés en appliquant des méthodes de correction de tests multiples telles que Bonferroni et Benjamini-Hochberg. Nos résultats suggèrent un effet délétère de la température et l’humidité sur le poids de naissance et ne mettent pas en évidence d’association entre pollution atmosphérique et issues de grossesse. L’exposition aux polluants atmosphériques (NO2 et PM10) pendant la grossesse était associée à une diminution de la méthylation de l’ADN placentaire pour les gènes ADORA2B et ADARB2 ; le premier gène étant connu pour être potentiellement impliqué dans la pré-éclampsie et l’hypoxie de la femme enceinte et le deuxième étant potentiellement impliqué dans les troubles métaboliques chez l'adulte tels que la circonférence abdominale et l'IMC. Les résultats des approches agnostique et avec a priori étaient cohérents pour le gène ADORA2B. Nous n’avons pas identifié d’association entre les conditions météorologiques et la méthylation de l’ADN placentaire. A notre connaissance, nous sommes les premiers à avoir étudié l’association entre la méthylation de l’ADN dans le tissu placentaire et l’exposition prénatale aux polluants de l’air et aux conditions météorologiques en utilisant des données de l’épigénome entier. Ce travail de thèse ouvre de nouvelles voies possibles concernant les mécanismes d’actions des polluants environnementaux et fournit des pistes quant aux effets à long terme possibles de ces expositions. / Nowadays, air pollution and weather conditions represent a major public health issue. It is recognized that they may have serious consequences for health especially in the most sensitive populations such as pregnant women. More recent studies have suggested an effect of exposure to these environmental factors during the fetal period. Fetal life is a critical period for the healthy development of the child. Maternal exposure to environmental exposures during pregnancy could have serious consequences on pregnancy outcomes and short- and long- term health. Furthermore, the biological mechanisms that could explain the effect of environmental exposures on adverse pregnancy outcomes are largely unknown up to now. The objectives of the thesis were: 1) to study the association between maternal exposure to temperature and relative humidity during pregnancy and birth weight, gestational duration and preterm birth; 2) to study the association between maternal exposure to air pollutants and meteorological conditions during pregnancy and placental DNA methylation using A) an agnostic approach and B) a priori approach based on integration of biological knowledge. The first part of this work relied on data from two mother-child cohorts EDEN (Poitiers and Nancy, 2003-2006) and PELAGIE (Britain, 2002-2006) corresponding to 5185 mother-infant pairs analyzed; and the second part relied on a sample of the EDEN cohort for which methylation data were available (n = 668). Daily data of temperature and humidity were obtained from Météo-France and pollution data were obtained using a dispersion model. Their exposure was averaged over different periods during pregnancy. Central placenta samples were collected at delivery and DNA methylation was analyzed using Illumina 450K chip. For the first objective, linear regression models and Cox models were used. For the second objective, robust linear regression models, especially across the genome-wide, were used and correction methods for multiple testing such as Bonferroni and Benjamini-Hochberg were applied. Our results suggest a deleterious effect of temperature and relative humidity on birth weight and did not show an association between air pollution and pregnancy outcomes. Exposure to air pollutants (NO2 and PM10) during pregnancy was associated with a decrease in placental DNA methylation for ADORA2B and ADARB2 genes; the first gene is known to be potentially involved in preeclampsia and hypoxia of the pregnant woman and the second being potentially involved in metabolic disorders in adults such as abdominal circumference and BMI. The results of agnostic and a priori approaches were consistent for ADORA2B gene. We did not found association between weather conditions and placental DNA methylation. To our knowledge, we are the first to study the association between DNA methylation in the placental tissue and prenatal exposure to air pollutants and weather conditions using data from the entire epigenome. This work opens up new possible pathways regarding mechanisms of action of environmental pollutants and provides pointers as to the possible long-term effects of these exposures.

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Bivalent genes are frequently associated with developmental and lineage specification processes. Resolving their bivalency enables fast changes in their expression, which potentially can trigger cell fate decisions. Here, we provide a theoretical model of bivalency that allows for predictions on the occurrence, stability and regulatory capacity of this prominent modification state. We suggest that bivalency enables balanced gene expression heterogeneity that constitutes a prerequisite of robust lineage priming in somatic stem cells. Moreover, we demonstrate that interactions between the histone and DNA methylation machineries together with the proliferation activity control the stability of the bivalent state and can turn it into an unmodified state. We suggest that deregulation of these interactions underlies cell transformation processes as associated with acute myeloid leukemia (AML) and provide a model of AML blast formation following deregulation of the Ten-eleven Translocation (TET) pathway

Endocrine disrupting chemicals (EDCs) are ubiquitous and their adverse impact on nature, wildlife and humans is extensively researched. We are constantly exposed to EDCs, such as the widespread and extensively researched Bisphenol A, as well as its substitute Bisphenol F, which is coming into wider use, even though it is much less is researched and limited information is available about its endocrine effects. Realistically, we are exposed to mixtures rather than single substances. In the Swedish Environmental Longitudinal, Mother and Child, Asthma and allergy (SELMA) study, the co-exposure of EDCs was assessed. Based on the SELMA cohort data, a study identified a mixture of EDCs, Mixture N1, which is associated with delayed language development. In recent years, it has been hypothesized that epigenetic alterations are one of the underlying mechanisms for the effect of EDC exposures. For example, EDC induced changes in DNA Methylation of the promoter region of a gene might lead to altered gene expression, which can result in adverse health effects. Several studies already indicate an impact of the formerly introduced chemicals/mixtures on the DNA methylation on genes such as NR3C1 and GRIN2B in animals. However, limited research is available on the impact on NR3C1 and GRIN2B in the early human brain, which is of interest since both genes are crucial for the development of the brain and altered gene expression often leads to adverse effects. This study aimed to investigate the impact of BPA, BPF and Mixture N1 on NR3C1 and GRIN2B in the developing human brain as well as establish a protocol for differentiation of human stem cells into neuroprogenitor cells that express GRIN2B and NR3C1. In the end stem cells were differentiated in vitro into neural progenitor cells (NPCs) using the protocol of Hosseini et al. (2020). During the differentiation, the cells were exposed to different concentrations of the former mentioned chemicals. Afterwards, RNA and DNA were extracted, followed by a qPCR and bisulfite-pyrosequencing to investigate the changes in gene expression and DNA methylation of NR3C1 and GRIN2B. This study established the differentiation protocol but revealed no significant results regarding the chemical exposure. However, some chemical exposures showed a clear tendency towards an impact of the chemicals on the gene expression and the DNA methylation. Furthermore, a negative correlation between DNA methylation at 2 CpG sites and gene expression in NR3C1 could be observed. In conclusion, the DNA methylation at promoter region in NR3C1 is important for the gene expression.