Le séquençage du génome humain, il y a maintenant 12 ans, a mis en lumière la complexité des mécanismes des processus nucléaires tels que la transcription, la réplication ou l'organisation de la chromatine. Depuis, afin de mieux comprendre ces processus, un ensemble sans cesse croissant de données sur le noyau cellulaire a été produit et mis en ligne par un nombre important de laboratoires de par le monde. Ces données sont à la fois d'une richesse extraordinaire et d'une complexité embarrassante. Dans cette thèse, nous mettons à profit l'ensemble de ces données afin de mieux comprendre les déterminants nucléaires du programme spatio-temporel de réplication. Pour cela nous utilisons pas moins d'une centaine de profils épigénétiques ChiP-seq le long des chromosomes humains et dans diverses lignées cellulaires pour caractériser la structure primaire de la chromatine. Nous démontrons, à l'aide d'outils issus des statistiques multivariées, que l'immense complexité potentielle de ces jeux de données peut être réduite à quatre états chromatiniens principaux et ce dans toutes les lignées cellulaires somatiques étudiées. Cette classification simple, robuste et néanmoins complète est un excellent point d'appui pour l'étude de la réplication. Les quatre états principaux de chromatine sont répliqués à des moments distinct de la phase S (leur " timing " de réplication est différent) et ont un contenu en gènes drastiquement différents. Leur répartition spatiale le long du génome est structurée et est particulièrement visible dans les domaines où le " timing " de réplication dessine un U comme signature de l'existence d'un gradient de polarité des fourches de réplication. Ces U-domaines de la taille du Mpb recouvrent 50% du génome humain et les quatre états chromatiniens principaux se succèdent du bord au centre de ces U-domaines. Les mêmes techniques statistiques appliquées au cas d'une lignée embryonnaire révèlent aussi l'existence de quatre états principaux de chromatine mais de nature différente. La classification en quatre états s'avèrent alors très utile pour comparer l'épigénétique d'une lignée somatique à celle d'une lignée embryonnaire. Aussi, les spécificités du programme de réplication embryonnaire sont mises en rapport avec les spécificités de l'organisation de la chromatine dans cette lignée cellulaire. En particulier, notre étude révèle le rôle majeur de l'histone variant H2AZ dans la pluripotence.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La conservation de la biodiversité génétique du cochon d'Inde (Cavia porcellus) est importante en tant qu'animal de consommation endémique de la région andine ainsi qu'en tant qu'animal modèle précieux pour la recherche biomédicale.L'objectif de ce travail était de mettre en place les protocoles qui permettront une conservation ex situ des ressources génétiques de cette espèce par la voie femelle. Les étapes nécessaires à la concrétisation d'un projet de cryobanque sont :- la maîtrise de la production d'embryons grâce à des traitements hormonaux de synchronisation du cycle œstral et de superovulation des femelles,- la cryoconservation dans l'azote liquide des embryons obtenus et leur transfert dans des femelles receveuses.Une méthode standardisée de synchronisation des chaleurs basée sur l'administration d'altrenogest per os pendant 15 jours a été définie. Les chaleurs des femelles donneuses et receveuses d'embryons apparaissent dans les 4 à 5 jours qui suivent l'arrêt du traitement de ce progestagène.Des traitements de superovulation basés sur 3 injections à 24 heures d'intervalle d'hMG, ou 6 injections à 12 heures d'intervalle de FSH-recombinante humaine, permettent une augmentation du taux d'ovulation de l'ordre de fois 3 à fois 4 par rapport à des femelles non-traitées. Toutefois les réponses au traitement restent variables et il faudra réitérer l'expérience sur de plus grands lots d'animaux afin d'ajuster les doses et les moments d'application.La méthode de congélation lente, utilisant l'éthylène glycol comme cryoprotecteur, a permis d'obtenir des taux de survie embryonnaire satisfaisants (70,3%). La méthode de vitrification a également donné de bons résultats, avec un taux de survie embryonnaire de 41,7%.Le premier transfert au monde d'embryons frais réalisé avec succès dans une femelle receveuse préalablement synchronisée a été obtenu lors de ce travail. Les transferts d'embryons décongelés n'ont pas encore donné lieu à des gestations.

Chez les angiospermes, la reproduction passe par la double fécondation. Le tube pollinique délivre deux cellules spermatiques au sein du gamétophyte femelle. Une cellule féconde la cellule œuf pour produire un zygote; l’autre féconde la cellule centrale pour produire l’endosperme. Pour assurer un succès reproductif, le développement du gamétophyte femelle au sein de l’ovule doit établir un patron cellulaire qui favorise les interactions avec le tube pollinique et les cellules spermatiques. Pour ce faire, un dialogue doit s’établir entre les différentes cellules de l’ovule lors de son développement, de même que lors de la fécondation. D’ailleurs, plusieurs types de communications intercellulaires sont supposées suite à la caractérisation de plusieurs mutants développementaux. De même, ces communications semblent persister au sein du zygote et de l’endosperme pour permettre la formation d’un embryon viable au sein de la graine. Malgré les développements récents qui ont permis de trouver des molécules de signalisation supportant les modèles d’interactions cellulaires avancés par la communauté scientifique, les voies de signalisation sont de loin très incomplètes. Dans le but de caractériser des gènes encodant des protéines de signalisation potentiellement impliqués dans la reproduction chez Solanum chacoense, l’analyse d’expression des gènes de type RALF présents dans une banque d’ESTs (Expressed Sequence Tags) spécifiques à l’ovule après fécondation a été entreprise. RALF, Rapid Alcalinization Factor, est un peptide de 5 kDa qui fait partie de la superfamille des «protéines riches en cystéines (CRPs)», dont les rôles physiologiques au sein de la plante sont multiples. Cette analyse d’expression a conduit à une analyse approfondie de ScRALF3, dont l’expression au sein de la plante se limite essentiellement à l’ovule. L’analyse de plantes transgéniques d’interférence pour le gène ScRALF3 a révélé un rôle particulier lors de la mégagamétogénèse. Les plantes transgéniques présentent des divisions mitotiques anormales qui empêchent le développement complet du sac embryonnaire. Le positionnement des noyaux, de même que la synchronisation des divisions au sein du syncytium, semblent responsables de cette perte de progression lors de la mégagamétogénèse. L’isolement du promoteur de même que l’analyse plus précise d’expression au sein de l’ovule révèle une localisation sporophytique du transcrit. La voie de signalisation de l’auxine régule également la transcription de ScRALF3. De surcroît, ScRALF3 est un peptide empruntant la voie de sécrétion médiée par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. En somme, ScRALF3 est un important facteur facilitant la communication entre le sporophyte et le gamétophyte pour amener à maturité le sac embryonnaire. L’identification d’un orthologue potentiel chez Arabidopsis thaliana a conduit à la caractérisation de AtRALF34. L’absence de phénotype lors du développement du sac embryonnaire suggère, cependant, de la redondance génétique au sein de la grande famille des gènes de type RALF. Néanmoins, les peptides RALFs apparaissent comme d’importants régulateurs lors de la reproduction chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana. / In angiosperms, reproduction occurs through double fertilization. The pollen tube delivers two sperm cells into the female gametophyte. A first sperm cell fertilizes the egg cell to produce a zygote, while the other fertilizes the central cell to produce the endosperm. To ensure reproductive success, the development of the female gametophyte within the ovule must establish a cellular pattern allowing interaction with the pollen tube and sperm cells. To this end, a dialogue must be established amongst the various cells of the ovule during its development, as well as during fertilization. Several types of communication are suggested by the analysis of developmental mutants. These communications must persist in the zygote and endosperm to allow the formation of a viable embryo within the seed. Recent developments have helped to find signaling molecules that support cell interaction models developed by the scientific community, but the signaling pathways are far from complete. In order to characterise genes encoding signaling proteins which are potentially active during reproduction in Solanum chacoense, I undertook the expression analysis of the RALF-like genes present in a bank of ESTs (Expressed Sequence Tags) specific to the ovule after fertilization. RALF, Rapid Alcalinization Factor, is a 5 kDa peptide that is part of the superfamily of Cysteine Rich Proteins (CRPs), which play a wide variety physiological roles within the plant. This expression analysis led to a detailed analysis of ScRALF3, whose expression in the plant is largely restricted to the ovule. The analysis of ScRALF3 RNAi transgenic plants revealed a function during megagametogenesis. The transgenic plants exhibit abnormal mitotic divisions that prevent the maturity of the embryo sac. The positioning of the nuclei, as well as the timing of divisions in the syncytium, appear to be responsible for the arrest of development during megagametogenesis. Isolation of the promoter as well as more accurate analysis of transcript expression reveals localisation within the ovule sporophytic tissue. The auxin signaling pathway is also involved in the regulation of ScRALF3 expression. ScRALF3 is a secreted peptide passing via the endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus. In summary, ScRALF3 may be an important factor facilitating communication between the gametophyte and the sporophyte to allow maturation of the embryo sac. The identification of a potential orthologue in Arabidopsis thaliana led to the characterisation of AtRALF34. The lack of a phenotype during embryo sac development, however, suggests that genetic redundancy within the family of RALF-like genes is very complex. Nevertheless, the RALF peptides appear to be important regulators during reproduction in Solanum chacoense and Arabidopsis thaliana.

Le développement du rein est un exemple intriguant d’un équilibre délicat entre la prolifération des cellules progénitrices, la différentiation et l’apoptose. Le gène Wt1 est indispensable pour la survie des cellules progénitrices. Le but de cette thèse a été de définir les voies de signalisation activées par Wt1 pendant le développement du rein. En utilisant les souris Wt1 KO, nous avons démontré que WT1 coordonne l’action de deux voies de signalisation opposées : Fgf et Bmp/Smad intervenant dans la survie des cellules progénitrices rénales. Dans une deuxième étude, nous avons analysé le rôle du modificateur épigénétique, le gène Phf19 pendant le développement du rein. Nous avons démontré que l’expression de ce gène est Wt1-dependant et il est exclusivement exprimé dans les cellules progénitrices rénales au cours du développement et que son inactivation dans le rein embryonnaire en culture, conduit à l’apoptose des cellules progénitrices. Nous avons généré des souris knockout de Phf19 par l’approche de CRISPR/Cas9. Dans le cas d’une létalité précoce des embryons homozygotes, nous opterons pour la production du model animal knockout conditionnel et procéderons à la caractérisation de leur profile épigénétique. Cette thèse a permis d’une part, de découvrir deux voies de signalisation antagonistes, régulées par le Wt1et impliquées dans le contrôle de la survie des cellules progénitrices rénales et d’autre part de nous orienter vers le contrôle de la survie et la prolifération de ces cellules par modifications épigénétiques. Ceci nous permettra de contribuer à la connaissance de l’étiologie d’une grande proportion des malformations rénales restant à ce jour inconnues. / Kidney organogenesis requires the tight control of proliferation, differentiation and apoptosis of renal progenitor cells. The Wilms’ tumour suppressor Wt1 is required for renal progenitor survival. The aim of this thesis was to elucidate the molecular cause for renal agenesis in Wt1 mutant mouse. Here we demonstrate that lack of Wt1 abolishes FGF and induces BMP/pSMAD signaling within the metanephric mesenchyme. We further show that recombinant BMP4, but not BMP7, induces an apoptotic response within the early kidney that can be suppressed by simultaneous addition of FGFs. These data reveal an unknown sensitivity of early renal progenitors to pSMAD signalling, establishes FGF and pSMAD signalling as antagonistic forces in early kidney development and places WT1 as a key regulator of pro-survival FGF signalling pathway genes. In a second study, we demonstrated, that Phf19, an epigenetic modifier, is essential both for maintaining Wt1 expression in renal progenitor cells and their survival in an ex-vivo culture. We further generated a Phf19 knockout mouse by CRISPR/Cas9. The homozygous embryos will be analyzed to further decipher the contribution of Phf19 to potential kidney malformations and the epigenetic profile of renal progenitor cells will be characterized. Overall, the new insights into the molecular mechanisms controlling the survival of renal progenitor cells, reported in this thesis, provide one more step in our understanding of renal malformations. In addition, our results conducted us toward the epigenetique modifications that could open up promising new avenue of understanding the etiology of an important proportion of renal malformation that remains unknown.

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La migration cellulaire dirigée est un processus crucial lors du développement embryonnaire, de la cicatrisation, de la réponse immunitaire mais aussi lors de la formation de métastases. La réussite de ces processus nécessite que les cellules perçoivent un signal asymétrique, l'interprète et s'oriente pour migrer de façon dirigée. In vivo, la migration est dirigée par de nombreux signaux du microenvironnement cellulaire. L'hypoxie, ou diminution du niveau d'oxygène tissulaire, est une caractéristique importante de l'environnement cellulaire dans l'embryon et dans les tumeurs solides. Du fait de la limitation de la diffusion de l'oxygène, l'hypoxie génère in vivo des gradients d'oxygène. Nous avons développé une méthode originale dans laquelle des cellules épithéliales génèrent elles-mêmes gradient d'oxygène in vitro. Et de façon très intéressante, ces cellules sont capables de migrer de façon directionnelle vers des concentrations en oxygène plus élevées. Cette capacité d'aérotaxie est indépendante de la respiration mitochondriale et des acteurs de réponse à l'hypoxie. Les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) seraient les médiateurs de la réponse migratoire au gradient. La production asymétrique de ROS entre l'avant et l'arrière des cellules serait à l'origine de l'activation différentielle du récepteur EGFR et de la persistance des cellules vers des concentrations plus importantes en oxygène. Cette capacité chimio-attractante de l'oxygène, connue chez les bactéries, mais non décrite pour des cellules eucaryotes, pourrait jouer un rôle majeur lors du développement embryonnaire et dans la dissémination métastatique / Cell migration is a crucial process during embryonic development, wound healing, immune system but also metastasis. Success of these processes relies on the capacities of cells to sense an asymmetric signal, interpret it and orient themselves to migrate in a directed manner. In vivo, migration is guided by several signals from the cellular microenvironment. Hypoxia, or decrease in the level of tissue oxygen, is an important feature of the cellular environment in the embryo and in solid tumors. Owing to the limitation of oxygen diffusion, hypoxia often generates oxygen gradients in vivo. We have developed an original method in which epithelial cells themselves generate oxygen gradient in vitro. And interestingly, these cells are able to migrate directionally to higher oxygen concentrations. This aerotaxis ability is independent of mitochondrial respiration and hypoxia response pathway. The reactive oxygen species (ROS) would mediate the migratory response to the gradient. The asymmetric production of ROS between the front and the back of the cells would be at the origin of the differential activation of the EGFR receptor and the persistence of cells towards higher oxygen concentrations. This chemoattractant capacity of oxygen, known in bacteria, but not described for eukaryotic cells, could play a major role in embryonic development and in metastatic dissemination

La méthylation de l’ADN est une modification épigénétique qui prend place durant le développement embryonnaire sur le génome des Mammifères. Durant ma thèse, j’ai déterminé les cinétiques de mise en place de la méthylation de l’ADN sur le génome murin au cours de l’embryogénèse précoce. J’ai identifié les rôles spécifiques et redondants des ADN méthyltransférases DNMT3a et DNMT3b dans ce processus. J’ai également étudié le rôle de deux facteurs dans la mise en place de la méthylation de l’ADN dans l’embryon. Premièrement, j’ai déterminé que l’enzyme G9a joue un rôle essentiel pour la répression et le recrutement de la méthylation de l’ADN à des sites spécifiques du génome, incluant en particulier des promoteurs à ilots CpG de gènes méiotiques. Deuxièmement, l’étude du facteur E2F6 m’a permis de montrer que cette protéine est elle aussi impliquée dans le recrutement de la méthylation de l’ADN, et ce à des promoteurs de gènes méiotiques distincts de ceux régulés par G9a. / DNA methylation is an epigenetic modification which is established during embryonic development on the mammalian genome. In my thesis, I determined the kinetics of DNA methylation acquisition on the mouse genome during early embryogenesis, and determined the specific and redundant roles of the DNA methyltransferases DNMT3a and DNMT3b in this process. I also studied the roles of two factors involved in setting up DNA methylation in embryos. First, I determined that the G9a enzyme plays an essential role for the in vivo repression and DNA methylation of specific genomic sites, including in particular the CpG island promoters of germline genes. Second, the study of the E2F6 factor allowed me to show that this protein is also involved in recruiting DNA methylation at a set of germline gene promoters than are distinct from those regulated by G9a.

La segmentation de l’axe antéro-postérieur en somites est une caractéristique majeure des Vertébrés. Ce processus est basé sur un oscillateur, l’« horloge de segmentation ». Cette thèse cherche à comprendre la dynamique de signalisation régulant ce processus. Nous avons étudié la régulation transcriptionnelle de Mesp2 et nous avons montré que Tbx6 contrôle son expression chez le poulet. Nous présentons également un système d’étude ex vivo présentant des oscillations stables du gène cyclique Lfng. Nous avons mis en évidence un effet de population régulant la génération de ces oscillations et reposant sur la voie Notch et des facteurs mécaniques que nous interprétons avec un modèle d’oscillateur excitable. De plus, nous avons démontré un effet dose-dépendant de la voie Fgf sur la différenciation cellulaire, remettant ainsi en question le modèle actuel de segmentation. Par ailleurs, ce système d’étude nous a permis d’identifier un rôle du taux de traduction dans le contrôle de la période de l’horloge. Enfin, nous présentons des travaux, où nous cherchons à reconstituer l’horloge de segmentation in vitro à partir de cellules souches murines différenciées. / The segmentation of the anteroposterior axis in somites is a major feature of Vertebrates. This process relies on an oscillator, the “segmentation clock”. The present thesis addresses the signaling dynamics regulating this process. We studied the transcriptional regulation of Mesp2 and showed that Tbx6 controls its expression in chicken. We established an ex vivo experimental system with stable oscillations of the cyclic gene Lfng. We demonstrated the existence of a population behavior that controls the generation of oscillations and involves the Notch pathway and mechanical factors. We interpreted these observations in the framework of an excitable oscillator. Moreover, we evidenced a dose-dependent effect of Fgf signaling on cell determination that challenges current models of segmentation. Furthermore, this experimental system has enabled us to identify a role of the translation rate on the clock period. Last, we showed ongoing work aiming to recapitulate the segmentation in vitro using differentiated mouse embryonic stem cells.

La conservation de la biodiversité génétique du cochon d’Inde (Cavia porcellus) est importante en tant qu’animal de consommation endémique de la région andine ainsi qu’en tant qu’animal modèle précieux pour la recherche biomédicale.L’objectif de ce travail était de mettre en place les protocoles qui permettront une conservation ex situ des ressources génétiques de cette espèce par la voie femelle. Les étapes nécessaires à la concrétisation d’un projet de cryobanque sont :- la maîtrise de la production d’embryons grâce à des traitements hormonaux de synchronisation du cycle œstral et de superovulation des femelles,- la cryoconservation dans l’azote liquide des embryons obtenus et leur transfert dans des femelles receveuses.Une méthode standardisée de synchronisation des chaleurs basée sur l’administration d’altrenogest per os pendant 15 jours a été définie. Les chaleurs des femelles donneuses et receveuses d’embryons apparaissent dans les 4 à 5 jours qui suivent l’arrêt du traitement de ce progestagène.Des traitements de superovulation basés sur 3 injections à 24 heures d’intervalle d’hMG, ou 6 injections à 12 heures d’intervalle de FSH-recombinante humaine, permettent une augmentation du taux d’ovulation de l’ordre de fois 3 à fois 4 par rapport à des femelles non-traitées. Toutefois les réponses au traitement restent variables et il faudra réitérer l’expérience sur de plus grands lots d’animaux afin d’ajuster les doses et les moments d’application.La méthode de congélation lente, utilisant l’éthylène glycol comme cryoprotecteur, a permis d’obtenir des taux de survie embryonnaire satisfaisants (70,3%). La méthode de vitrification a également donné de bons résultats, avec un taux de survie embryonnaire de 41,7%.Le premier transfert au monde d’embryons frais réalisé avec succès dans une femelle receveuse préalablement synchronisée a été obtenu lors de ce travail. Les transferts d’embryons décongelés n’ont pas encore donné lieu à des gestations. / The preservation of the guinea pig (Cavia porcellus) genetic biodiversity is important as a native source of protein for many highlanders in the Andean region and as a precious laboratory animal for biomedical research.The aim of this work was to establish the protocols that will enable an ex situ preservation of the genetic resources of this species by the female way.The necessary steps for the achievement of a cryobank project are:- the control of the embryo production thanks to hormonal treatments to synchronize the estrous cycles and to superovulate the females,- the cryopreservation in liquid nitrogen of the obtained embryos and their transfer into recipient females.A standard method for synchronization of heat periods based on the per os administration of altrenogest during 15 days has been defined. The heat periods of the females, donors and recipients of embryos, appears 4 to 5 days after the end of the progestagen treatment. Superovulation treatments, based on 3 injections at 24-hour intervals of hMG or 6 injections at 12-hour intervals of human recombinant-FSH, lead to an increase of the ovulation rate of about 3 to 4 times when compared to untreated females. However, the responses to the treatments remain variable and further studies involving a larger number of animals should be carried out in order to adjust the dose and the moment of application of the treatment.The slow-freezing method, using ethylene glycol as cryoprotectant, enables the attainment of a satisfactory in vitro embryo survival rate (70,3%). The vitrification method also gives good results, with a 41,7% in vitro embryo survival rate.The first successful transfer of fresh embryos into a synchronized recipient female has been achieved in this study. The transfers of frozen-thawed embryos did not yet lead to gestation.