La maladie d'Alzheimer (MA) est la démence la plus importante dans le monde développé. Cette maladie neurodégénérative rend de plus en plus difficile la capacité d'accomplir les tâches quotidiennes de routine, elle peut également faire oublier les mots aux patients, les désorienter dans le temps et l'espace, et à des stades avancés entraîne une perte de mémoire. Malheureusement, la MA est considérée comme le prochain grand défi pour la santé publique de la plupart des pays, le nombre de cas devant doubler au cours des 20 prochaines années en raison du vieillissement de la population. Cette augmentation du nombre de patients s'accompagne d'une augmentation des besoins de financement et de personnel de santé afin de répondre aux demandes et aux besoins de ces patients. La MA peut être divisée en deux entités distinctes: une maladie héréditaire bien définie et bien comprise qui représente jusqu'à 5% de tous les cas de MA appelés maladie d'Alzheimer familiale, et une maladie moins définie appelée maladie d'Alzheimer sporadique. Le facteur de risque le plus défini pour la MA est l'âge, mais récemment, il a été démontré que le cerveau des patients atteints de MA avait un niveau réduit de BMI1 et que la suppression de BMI1 dans les neurones humains ou chez la souris déclenche les caractéristiques de cette maladie. Alors que BMI1 était connu pour être important dans les stades de développement, nous rapportons ici qu'il est crucial dans les cellules adultes pour maintenir la compaction de la chromatine et l’inhibition de la transcription des séquences répétitives. De plus, ces deux fonctions de BMI1 empêchent l'ADN d'acquérir une conformation G4. Cette conformation peut entraîner une instabilité du génome, une augmentation des dommages à l'ADN et une altération de l'expression des gènes, mais surtout, nous avons montré que dans les neurones corticaux, les structures G4 peuvent influencer l'épissage alternatif de divers gènes, notamment APP. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur l'origine de la maladie et l'importance de BMI1 et de la structure secondaire de l'ADN dans le cadre de la MA. / Alzheimer's disease is the most prominent dementia in the developed world. This neurodegenerative disease renders the ability to do the routine daily tasks more and more difficult; it can also cause patients to forget words, be disoriented in time and space, leading to a memory loss. Unfortunately, AD is considered the next big challenge for most country’s public health, with the number of cases thought to be doubling within the next 20 years due to the aging of the population. This increase in the number of patients comes with an increase in the need for funding and for healthcare personnel to meet the demands and the requirements of these patients. AD is divided into two separate entities: a well-defined and understood hereditary disease that makes up to 5% of all AD cases called familial Alzheimer disease, and a less defined one called sporadic Alzheimer disease. sAD most defined risk factor is age, but recently it was shown that brains of sAD patients had a reduced level of BMI1 and that the knockdown of BMI1 in human neurons or mice triggers the hallmarks of this disease. While BMI1 was known to be important in the developmental stages, we report here that it is crucial in adult cells to maintain the compaction of the chromatin and the silencing of the repetitive sequences. Furthermore, these two functions of BMI1 prevent the DNA from acquiring a G4 conformation. This conformation can lead to genome instability, increased DNA damage, and altered gene expression. However, most importantly, we showed that in cortical neurons, G4 structures could influence the alternative splicing of various genes, notably APP. These results shed new light on the origin of AD, and the importance of BMI1 and the secondary structure of the DNA in its context.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'une recherche fondamentale visant à améliorer la compréhension des mécanismes d'interaction des rayonnements ionisants avec la matière biologique en s’intéressant à la prédiction par simulations numériques des dommages précoces radio-induits à l’ADN. Dans un premier temps, une étude sur le rôle des différents niveaux de compaction de la chromatine (hétérochromatine et euchromatine) dans l’induction de ces premiers effets, à savoir les cassures de brins de l’ADN, est proposée. De nouveaux modèles géométriques réalistes de noyaux cellulaires intégrant la compaction de la chromatine ont donc été créés et utilisés dans une chaîne de calcul, basée sur le code Monte Carlo ouvert et généraliste Geant4 et son extension Geant4-DNA, permettant de simuler les étapes physique, physico-chimique et chimique menant aux cassures de brin. Les développements effectués dans cette thèse ont également permis d’étudier l’impact de plusieurs types de rayonnement (protons, alphas, photons) sur les dommages radio-induits. Les différents résultats ont été confrontés à des données expérimentales et en particulier à celles obtenues par l’équipe de radiobiologistes de l’IRSN. Enfin, une étude portant sur les effets plus tardifs comme la réparation de l’ADN et la mort cellulaire a été réalisée par l’utilisation conjointe de la chaîne de calcul et de certains modèles paramétriques issus de la littérature. Ainsi, les résultats obtenus dans cette thèse ont permis d’acquérir de nouvelles connaissances et de développer des outils de calcul qui seront bientôt disponibles en accès libre à la communauté scientifique afin de prédire des effets biologiques de plusieurs types de rayonnement dans la perspective d’améliorer les modèles de risque. / This thesis work is part of a fundamental research aimed at improving the understanding of the mechanisms of interaction of ionizing radiation with biological matter by focusing on the prediction of early radiation-induced DNA damage by numerical simulations. As a first step, a study on the role of the different levels of chromatin compaction (heterochromatin and euchromatin) in the induction of these early effects, namely DNA strand breaks, is proposed. New realistic geometric models of cell nuclei integrating chromatin compaction have therefore been created and used in a calculation chain, based on the open source and general purpose Monte Carlo code Geant4 and its extension Geant4-DNA, to simulate the physical, physico-chemical and chemical stages leading to strand breaks. Developments in this thesis have also allowed studying the impact of several types of radiation (protons, alphas, photons) on radiation-induced damage. The various results were compared with experimental data and in particular those obtained by the IRSN team of radiobiologists. Finally, a study on later effects such as DNA repair and cell death was carried out using both the calculation chain and some parametric models from the literature. Thus, the results obtained in this thesis have made it possible to acquire new knowledge and to develop calculation tools that will soon be delivered in free access to the scientific community in order to predict the biological effects of several types of radiation with the aim of improving risk models.

La maladie d’Alzheimer (MA) représente la cause la plus importante de la démence, pourtant la cause de la MA reste toujours inconnue. Des données récentes suggèrent que la protéine BMI1 joue un rôle protecteur contre la MA et un rôle essentiel dans l’intégrité de l’hétérochromatine constitutive (hét-c) – les régions génomiques inactives au niveau de la transcription. Les niveaux de BMI1 et d’hét-c sont diminués dans les cerveaux de patients atteints de la MA, et des modèles de déficience de BMI1 in vivo et in vitro reproduisent des phénotypes canoniques de la MA. Nous avançons l’hypothèse que la perturbation de l’hét-c, effectuée par l’inactivation de gènes impliqués dans son intégrité, induira trois phénotypes canoniques de la MA : l’amyloïdopathie, la tauopathie et l’apoptose. Les knock-out (KO) de ces gènes se réalisent individuellement via le système CRISPR-Cas9 dans des neurones humains in vitro. Huit des 38 conditions de KO manifestent une perturbation d’hét-c, analysée par Western Blot; six manifestent une amyloïdopathie, deux manifestent une tauopathie et quatre manifestent des niveaux élevés d’apoptose, analysés par microscopie confocale et immunofluorescence. Les conditions de KO de gènes impliqués dans les domaines associés à la lamine manifestent plusieurs ou tous ces phénotypes de la MA. Ces résultats peuvent suggérer une nouvelle théorie qui expliquerait la cause de la MA : la dérépression de ces domaines induit l’activation des long interspersed elements (LINEs) dont leur dérépression cause des dommages à l’ADN et une réponse immunitaire innée aboutissant à un état sénescent et pro-inflammatoire qui entraîne la neurodégénérescence. / Alzheimer’s Disease (AD) represents the number one cause of dementia, however the cause of AD remains unknown. Recent data suggest that the protein BMI1 plays a protective role against AD and an essential role in the integrity of constitutive heterochromatin (c-het) – transcriptionally inactive, genomic regions. The levels of BMI1 and c-het are diminished in brains of AD patients, and models of BMI1 deficiency in vivo and in vitro reproduce canonical phenotypes of AD. We hypothesize that the disruption of c-het, brought about by inactivating genes implicated in its integrity, will induce three canonical phenotypes of AD: amyloidopathy, tauopathy and apoptosis. These gene knock-outs (KO) are carried out individually via the CRISPR-Cas9 system in human neurons in vitro. Eight of the 38 KO conditions present a disruption of c-het, analysed by Western Blot; six present amyloidopathy, two present tauopathy and four present elevated levels of apoptosis, analysed by confocal microscopy and immunofluorescence. The KO conditions of genes implicated in lamina-associated domains present some or all these AD phenotypes. These results may suggest a novel theory that would explain the cause of Alzheimer’s Disease: the derepression of these domains induces the activity of long interspersed elements (LINEs) which causes DNA damage and an innate immune response, culminating in a pro-inflammatory state of cellular senescence which leads to neurodegeneration.

Le rôle fonctionnel des transcrits de l’hétérochromatine péricentromérique reste à ce jour largement incompris chez les eucaryotes supérieurs. Néanmoins, il a été montré que ces transcrits sont soumis à un contrôle très précis, fonction du cycle cellulaire. La régulation de la transcription est fortement contrôlée par la structure de la chromatine qui peut être modifiée localement en changeant la composition biochimique du nucléosome, notamment par l’utilisation des variantes d’histones. L’objectif de ma thèse a été de mieux comprendre le rôle de la protéine chaperonne d’histone DAXX et de sa variante d’histone H3.3 dans la régulation de la transcription des séquences répétées péricentromériques. Par la méthode de purification TAP-TAG, les partenaires spécifiques de DAXX ont été identifiés à partir d’extraits solubles nucléaires de fibroblastes embryonnaires murins. Ces analyses ont mis en évidence que CAF-1, classiquement associé à H3.1, et les facteurs de remodelage de la chromatine ATRX et CHD4 interagissent spécifiquement avec DAXX. Le rôle de ces protéines dans le contrôle de la transcription de l’hétérochromatine péricentromérique a ensuite été mis en évidence par une approche combinant l’interférence ARN et la Q-PCR. Enfin, les résultats suggèrent fortement que ces mécanismes de régulation ont lieu au niveau des corps nucléaires PML. L’ensemble de ces données montre qu’il existe une régulation spatio-temporel très fine de la structure de la chromatine régulant la transcription de l’hétérochromatine péricentromérique. / The functional role of pericentromeric heterochromatin transcripts remains largely unknown in higher eukaryotes. Nevertheless, it has been shown that these transcripts are subject to very precise control, depending on the cell cycle. Regulation of transcription is tightly controlled by chromatin structure that can be modified locally by changing the biochemical composition of the nucleosome, including the use of histone variants. The aim of my thesis was to better understand the role of the histone chaperone protein DAXX and its histone variant H3.3 in the regulation of transcription of pericentromeric repeats. By the method of TAP-TAG purification, DAXX specific partners were identified from soluble nuclear extracts of murine embryonic fibroblasts. These analyzes revealed that CAF-1, classically associated with H3.1, and the chromatin remodeling factors, ATRX and CHD4, specifically interact with DAXX. The role of these proteins in the control of transcription of pericentromeric heterochromatin was then highlighted by an approach combining RNAi and Q-PCR. Finally, the results strongly suggest that these regulatory mechanisms take place at PML nuclear bodies. Taken together, these data show that there is a spatio-temporal regulation of the fine structure of chromatin regulates transcription of pericentromeric heterochromatin.

Le complexe linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) est un complexe protéique conservé au cours de l’évolution, reliant les compartiments cytoplasmiques et nucléaires au travers la membrane nucléaire. Bien que les données récentes montrent une de ce complexe dans la régulation de la morphologie nucléaire et de la méiose, son implication dans l’organisation de la chromatine a été moins étudié chez les plantes. Le premier objectif de ce travail était de développer un plugin NucleusJ ImageJ dédié à la caractérisation de la morphologie nucléaire et de l’organisation de la chromatine en 3D. NucleusJ calcul 15 paramètres, y compris la forme et la taille des noyaux ainsi que des objets intra-nuclaires et leur position dans le noyau. Une documentation pour ce programme est disponible pour son utilisation, ainsi que des qu’un jeu données de noyaux pour tester ce programme. Plusieurs améliorations sont en cours pour développer une nouvelle version de ce plugin. Dans une deuxième partie de ce travail, des méthodes d’imagerie 3D ont été utilisées pour étudier la morphologie nucléaire et l’organisation de la chromatine dans les noyaux interphasiques chez Arabidopsis thaliana dans lequel les domaines d’htrochromatique sont groupés en régions detectable appelés chromocentres. Ces chromocentres forment un environnement répressif contribuant la rpression transcriptionnelle de séquences répétées permettant la stabilité du génome. Des mesures quantitatives de la position 3D de chromocentres dans le noyau montrent que la plupart chromocentres sont situés proximité de la périphérie du noyau, mais que cette distance peut être modifiée par le volume nucléaire ou dans certains mutants affectant le complexe LINC. Ce complexe LINC est proposé pour contribuer l’organisation de la chromatine et à son positionnement, de plus la mutation de ce complexe est associée une dérégulation l’inactivation de la transcription, ainsi qu’a une décompaction des séquences hétérochromatiques. La dernière partie de ce travail tire profit de séquences gnomiques disponibles et les données de RNA-seq pour explorer l’évolution des protines de la NE chez les plantes. Au Final, le travail réalisé durant cette thèse associe la génétique, la biologie moléculaire, la bioinformatique et de l’imagerie afin de mieux comprendre la contribution de l’enveloppe nucléaire dans l’organisation de la morphologie du noyaux et de la chromatine et suggère l’implication fonctionnelle du complexe LINC dans ces processus. / The linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex is an evolutionarily well-conserved protein bridge connecting the cytoplasmic and nuclear compartments across the nuclear membrane. While recent data supports its function in nuclear morphology and meiosis, its implication for chromatin organisation has been less studied in plants. The first aim of this work was to develop NucleusJ a simple and user-friendly ImageJ plugin dedicated to the characterisation of nuclear morphology and chromatin organisation in 3D. NucleusJ quantifies 15 parameters including shape and size of nuclei as well as intra-nuclear objects and their position within the nucleus. A step-by-step documentation is available for self-training, together with data sets of nuclei with different nuclear organisation. Several improvements are ongoing to release a new version of this plugin. In a second part of this work, 3D imaging methods have been used to investigate nuclear morphology and chromatin organisation in interphase nuclei of the plant model Arabidopsis thaliana in which heterochromatin domains cluster in conspicuous chromatin regions called chromocentres. Chromocentres form a repressive chromatin environment contributing to the transcriptional silencing of repeated sequences a general mechanism needed for genome stability. Quantitative measurements of 3D position of chromocentres in the nucleus indicate that most chromocentres are situated in close proximity to the periphery of the nucleus but that this distance can be altered according to nuclear volume or in specific mutants affecting the LINC complex. Finally, the LINC complex is proposed to contribute at the proper chromatin organisation and positioning since its alteration is associated with the release of transcriptional silencing as well as decompaction of heterochromatic sequences. The last part of this work takes advantage of available genomic sequences and RNA-seq data to explore the evolution of NE proteins in plants and propose a minimal requirement to built the simplest functional nuclear envelope. Altogether, work achieved in this thesis associate genetics, molecular biology, bioinformatics and imaging to better understand the contribution of the nuclear envelope in nuclear morphology and chromatin organisation and suggests the functional implication of the LINC complex in these processes.