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The N-terminal tails of histone proteins protrude from the nucleosome core and are extensively post-translationally modified. These modifications are proposed to affect many DNA-based processes such as transcription, DNA replication and repair. Post-translational modifications on histone tails do not act independently but are subject to crosstalk. One example of crosstalk is on histone H3 between lysine 14 (H3K14) and trimethylated lysine 4 (H3K4me3), a modification found at the 5’ end of most active or poised genes. In this work, Western blots and chromatin immunoprecipitation (ChIP) experiments show that different amino acid substitutions at histone H3 position 14 cause varying degrees of H3K4me3 loss, indicating that H3K14 is not essential for H3K4me3 but acts as a modulator of H3K4me3 levels. A neighbouring residue, H3P16 is also important for H3K4me3 and may operate in concert with H3K14 to control H3K4me3. These crosstalk pathways have gene-specific effects and the levels of H3K4me3 are influenced to different extents on genes that fall into functionally distinct classes. A model is proposed to explain how H3K14/H3P16 may exert these varying effects on H3K4me3 at individual genes. In addition to its ability to regulate H3K4me3, H3K14 also influences the levels of two modifications on H3K18, acetylation and monomethylation. A ChIP-sequencing experiment has shown that H3K18me1, a previously uncharacterised modification in S. cerevisiae, is widely distributed throughout the genome and correlates strongly with histone H3 levels. The potential for a functional acetyl/methyl switch at H3K18 is explored. Together, these data indicate that, with gene-specific effects, crosstalk between histone modifications may be even more complex than originally thought.

L’émergence et le développement des maladies métaboliques est sous le contrôle de multiples facteurs génétiques et environnementaux. Le diabète et la résistance à l’insuline sont des maladies métaboliques caractérisées par des défauts dans la sécrétion de l’insuline ou son utilisation périphérique, ou les deux. L’insuline est l’hormone clé de l’utilisation du glucose, et régule également transcriptionnellement et épigénétiquement l’expression des gènes.En travaillant sur le muscle, l’implication de l’épigénétique dans la régulation de l’expression des gènes de la voie de l’insuline a été mis en évidence. L’hexokinase 2 (HK2) est régulée par l’insuline et participe au métabolisme glucidique. Le rôle de l’épigénétique y est démontré avec l’augmentation de l’acétylation des histones autour du site d’initiation de la transcription (SIT) de HK2 et l’accumulation d’une isoforme permissive des histones, H2A.Z. Ces deux phénomènes sont le signe d’une transcription permissive.Nous avons ensuite étudié le rôle de l’acétylation des histones dans les régulations amenées par l’insuline dans les myotubes L6. Nous avons utilisé le butyrate, un inhibiteur des histones deacetylase (HDACi), dans un contexte d’insulino-résistance induite par une lipotoxicité. Le butyrate a en partie restauré la sensibilité à l’insuline visible au niveau des phosphorylations de la PKB (protein kinase B) et de la MAPK (Mitogen-activated protein kinase), inhibées par le traitement au palmitate. Le butyrate a augmenté l’expression de l’ARNm et de la protéine d’IRS1. La surexpression génique d’IRS1 est épigénétique-dépendante car liée à une augmentation de l’acétylation des histones au SIT d’IRS1.L’ensemble de ces résultats démontre l’existence d’un lien entre les modifications épigénétique et l’action de l’insuline. Cela suggère qu’une intervention pharmacologique sur la machinerie épigénétique pourrait être un moyen d’améliorer le métabolisme, et l’insulino-résistance / Diabetes and insulin resistance are metabolic diseases characterized by altered glucose homeostasis due to defects in insulin secretion, insulin action in peripheral organs, or both. Insulin is the key hormone for glucose utilization and regulates gene expression via transcriptional and epigenetic regulations.We determined the epigenetic implications in the regulation of expression of insulin signaling pathway genes. Hexokinase 2 (HK2) is known to be upregulated by insulin and directs glucose into the glycolytic pathway. In L6 myotubes, we demonstrated that insulin-induced HK2 gene expression rely on epigenetic changes on the HK2 gene, including an increase in histone acetylation around the transcriptional start site (TSS) of the gene and an increase in the incorporation of the histone H2A.Z isoform – a histone variant of transcriptionally active chromatin. Both are epigenetic modifications compatible with increased gene expression.To elucidate the role of histone acetylation in the regulation of insulin signaling and insulin-dependent transcriptional responses in L6 myotubes, we investigated the effects of butyrate, an histone deacetylase inhibitor (HDACi), in a model of insulin resistance induced by lipotoxicity. Butyrate partly alleviated palmitate-induced insulin resistance by ameliorating insulin-induced PKB (protein kinase B) and MAPK (Mitogen-activated protein kinase) phosphorylations, downregulated with exposure to palmitate. Butyrate induced an upregulation of IRS1 gene and protein expression. The transcriptional upregulation of IRS1 was proven to be epigenetically regulated, with butyrate promoting increased histone acetylation around the TSS of the IRS1 gene.These results support the idea of the existence of a link between epigenetic modifications and insulin action. Pharmacological targeting of the epigenetic machinery might be a new approach to improve metabolism, especially in the insulin resistant condition.Key words: Muscle, insulin resistance, epigenetic, chromatin, histone acetylation, histone deacetylase inhibitor (HDACi), butyrate, palmitate

Abstract: Molecular and cellular insights into IKAP and Elongator functions As the first step in the complex process of gene expression, the transcription of genes from DNA to RNA by RNA polymerase II is subject to a multiplicity of controls and is thereby the endpoint of multiple cell regulatory pathways. We focused here on the molecular and cellular functions of IKAP and by extension of Elongator complex, initially found associated with the hyperphosphorylated RNA polymerase II during the elongation stage of transcription. IKAP is required for the assembly of Elongator subunits into a functional complex. Elongator has a histone acetyltransferase (HAT) activity associated with one of its subunits, named hELP3. In agreement with a potential role in transcript elongation, Elongator is associated with nascent RNA emanating from the elongating RNA polymerase II along the transcribed region of several yeast genes and chromatin immunoprecipitation experiments have also demonstrated an association of Elongator with genes in human cells. Different mutations in the human IKBKAP gene, encoding IKAP/hELP1, cause familial dysautonomia, a severe neurodevelopmental disease with complex clinical characteristics. Affected individuals are born with the disease and abnormally low numbers of neurons in peripheral nervous ganglions. To gain insight into the role played by IKAP and the Elongator complex in the transcription of genes and concomitantly learn about the molecular defects underlying the FD, an RNA interference approach was used to deplete the IKAP protein in human cells. In yeast, disruption of ELP1 (yeast homolog of human IKAP) is known to destabilize the ELP3 catalytic subunit, which leads to loss of Elongator integrity. Our experiments performed in human cells revealed that the levels of hELP3 protein is also affected by IKAP depletion after RNAi. We took advantage of this cellular loss-of-function model to identify genes whose transcription requires IKAP, by microarray experiments. Among the identified candidates, several were previously described to be involved in cell motility, or actin cytoskeleton remodelling. Because cell motility is of crucial importance for the developing nervous system, and therefore of obvious relevance to FD, the potential role of IKAP in cell motility was characterized at the cellular level. Several cell motility/migration assays demonstrated that the IKAP depletion has functional consequences so that IKAP-depleted cells showed defects in migration. Particularly, the reduced cell motility of neuronal-derived cell lines may be highly relevant to the neurodevelopmental disorder that affects FD patients. Whether or not the defects in cell migration resulted of impaired transcriptional elongation of the IKAP-dependent genes was investigated by chromatin immuno-precipitation technique. These experiments indicated that IKAP depletion leads to a decreased histone H3 acetylation in the transcribed region of its target genes in the context of Elongator complex. These acetylation defects are correlated with a decrease of the RNA polymerase II recruitment through the transcribed region of target genes, whereas the recruitment on the promoter is mostly unaffected. These results indicate that Elongator affects transcript elongation in vivo, but not the recruitment of the RNA polymerase II to the promoter. These very specific effects of IKAP/hELP1 depletion on histone acetylation and RNA polymerase II density across target genes are consistent with a direct effect of Elongator on transcriptional elongation in vivo and point to a function for Elongator in histone acetylation during transcript elongation. Résumé: Caractérisation des rôles biologiques de la protéine IKAP et du complexe Elongator La transcription des gènes de lADN en ARN est fondamentale pour lexpression des protéines et la capacité de nos cellules à sadapter à leur environnement. Ce processus finement régulé est catalysé par un enzyme, lARN polymérase II, vers lequel convergent une multitude de voies de signalisation. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés aux fonctions moléculaires et cellulaires de la protéine IKAP et du complexe Elongator. IKAP est la protéine qui assemble les sous unités dElongator en un complexe fonctionnel. Le complexe Elongator est associé à lARN polymérase II hyper-phosphorylée pendant létape délongation de la transcription et possède une activité histone acétyltransferase associée à une de ses sous unités, appelée ELP3. Chez la levure, Elongator est recruté an niveau des ARNs naissants, qui émanent directement de lARN polymérase II au niveau de la région transcrite des gènes étudiés. De plus, des expériences dimmunoprécipitation de la chromatine ont mis en évidence la présence du complexe Elongator au niveau de plusieurs gènes humains. Différentes mutations au niveau du gène IKBKAP, codant pour la protéine IKAP, sont responsables de la dysautonomie familiale, une maladie génétique qui affecte le développement du système nerveux périphérique. En effet, les individus affectés présentent une diminution de la densité de neurones au niveau des ganglions nerveux périphériques. Lobjectif de nos travaux est de comprendre davantage le rôle de la protéine IKAP et du complexe Elongator dans la transcription des gènes et ainsi, dinvestiguer les mécanismes moléculaires responsables dans la physiopathologie de la dysautonomie familiale. Un modèle de perte de fonction pour la protéine IKAP a dabord été généré par interférence dARN. Des travaux réalisés chez la levure indiquent que la protéine ELP1 (homologue de IKAP chez la levure) est essentielle pour la stabilité de la sous unité catalytique du complexe, la protéine ELP3. Les expériences réalisées sur notre modèle humain démontrent que le taux de la protéine ELP3 est également affecté par la déplétion dIKAP causée par linterférence dARN. Ce modèle de perte de fonction a été utilisé afin détablir la liste des gènes dont lexpression est contrôlée par la protéine IKAP, par des expériences de microarrays. Parmi les candidats identifiés, plusieurs ont été décrits comme impliqués dans la migration cellulaire et le remodelage du cytosquelette dactine. Le processus de migration des cellules est fondamental au cours du développement du système nerveux et par conséquent particulièrement relevant dans le contexte de la dysautonomie familiale. Limplication dIKAP dans la migration cellulaire a été investigué par différents tests de fonction qui montrent que la diminution dIKAP dans différentes lignées cellulaires entraîne une réduction significative de leur capacité migratoire. Ces résultats suggèrent que la diminution du nombre de neurones observée dans les ganglions périphériques des patients atteints de la dysautonomie familiale pourrait résulter dune altération de leur capacité à migrer au cours du développement. Enfin, des expériences dimmunoprécipitation de la chromatine ont été menées en utilisant notre modèle afin de déterminer dans quelle mesure le déficit de migration observé en labsence dIKAP serait la conséquence dun défaut de la fonction dElongator au niveau de lélongation de la transcription des gènes. Les résultats nous ont montré que la diminution dexpression dIKAP entraîne une réduction de lacétylation des histones H3 dans la région transcrite de ses gènes cibles. De plus, ce déficit dacétylation est directement corrélé avec un désengagement progressif de lARN polymérase II le long de la région transcrite de ces gènes. Par conséquent, ces résultats démontrent que le complexe Elongator affecte lélongation des transcrits in vivo, mais pas le recrutement de lARN polymérase II au niveau du promoteur. Ces effets très spécifiques de labsence dIKAP sur lacétylation des histones et lengagement de la polymérase II dans la transcription des gènes cibles montrent quElongator exerce un rôle direct au niveau de lélongation de la transcription de ces gènes. De plus, ces résultats suggèrent que la fonction dElongator serait dacétyler les histones au cours de lélongation transcriptionnelle in vivo.

Tip60 is a 60 kDa nuclear protein which exists in three isoforms, belongs to the MYST/HAT family of proteins and was discovered after its interaction with the Human HIV-1 Tat. As a nuclear protein, Tip60 can act as a coactivator or repressor. To understand the HAT action of Tip60, two possible catalytic models exist; the ping-pong and the ternary complex formation models. In correlation with the exploration of HAT catalytic action, mutations of a Cys to Ala and a Glu to Gln on Esa1 (yeast homolog of Tip60 and MYST/HAT prototype), was reported to show wild type-like and decreased acetylating properties, respectively. In this work, Tip60 HAT action was explored. In Tip60, the Cys in the active site is important for acetylation of the H4(1-20) substrate and the Glu showed semi loss in acetylating the H4(1-20) peptide substrate. These data highlight a unique mechanism of Tip60 catalysis.

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La Bruton tyrosine kinase ou Btk est une protéine dont le rôle dans la maturation des lymphocytes B est connu depuis plusieurs années. Par contre, son rôle dans le contrôle de l’immunité innée est moins établi. Nous avons montré que, en réponse à la voie des Toll like Receptors ou TLRs, Btk régule la stabilité de l’ARN messager du TNF-α par l’intermédiairede la protéine TTP ou Tristétraproline. Par ailleurs, nous avons montré que l’expression d’un microARN, le miR-346, régulait négativement la protéine Btk et donc la synthèse de TNF-α. L’amplification de l’expression de ce miR-346 par transfection permet d’avoir un effet anti-TNF-α et anti-Btk interessant notamment dans le modèle cellulaire de la polyarthrite rhumatoïde. Enfin, nous avons montré que, en réponse au TLRs, la modulation de l’expression du TNF-α en fonction de l’état de méthylation de l’ADN et d’acétylation des histones dépendait directement de l’expression du couple miR-346 et Btk. Btk est donc une protéine charnière dans le contrôle de l’inflammation par les mécanismes épigénétiques que sont les miARNs, la méthylation de l’ADN et l’acétylation des histones. Sur le plan thérapeutique, l’inhibition de cette protéine par ces différents mécanismes de régulation semble donc être très interessante, à la fois dans les maladies inflammatoires et néoplasiques. / Bruton tyrosine kinase, or Btk, is a protein whose role in the maturation of B cells has been known for several years. However, its role in the control of innate immunity is less established. We have shown that, in response to Toll like Receptors pathway or TLRs, Btk regulates the stability of the mRNA of TNF-α via the TTP or Tristetraprolin protein. Furthermore, we showed that the expression of microRNA, the miR-346, negatively regulated the Btk protein and thus the synthesis of TNF-α. Upregulation of miR-346 by transfection act as an anti-TNF-α and anti-Btk drugs, especially in the cellular model of rheumatoid arthritis.Finally, we showed that, in response to TLRs, the modulation of the expression of TNF-α according to the state of DNA methylation and histone acetylation depended directly on crosstalk beetween miR-346 and Btk. Btk is a key protein in the control of inflammation by epigenetic mechanisms such as miRNAs, DNA methylation and histone acetylation. As therapeutic interest, inhibition of Btk by those different regulatory mechanisms seems to be very interesting, both in inflammatory and neoplastic diseases.

Eukaryotic promoters are inherently bidirectional and allow RNA Polymerase II to transcribe both coding and noncoding RNAs. Dynamic disassembly and reassembly is a prominent feature of nucleosomes around eukaryotic promoters. While H3K56 acetylation (H3K56Ac) enhances turnover events of these promoter-proximal nucleosomes, the chromatin remodeler INO80C ensures their proper positioning. In my dissertation, I explore how chromatin dynamics regulate transcriptional homeostasis. In the first part, I investigate the role of H3K56Ac on the nascent transcriptome throughout the eukaryotic cell cycle. I find that H3K56Ac is a global, positive regulator for coding and noncoding transcription by promoting both initiation and elongation/termination. On the contrary, I find that H3K56Ac represses promiscuous transcription following replication fork passage by ensuring efficient nucleosome assembly during S-phase. In addition, I show that there is a stepwise increase in transcription in the S-G2 transition, and this response to gene dosage imbalance does not require H3K56Ac. This study clearly shows that a single histone modification, H3K56Ac can exert both positive and negative effects on transcription at different cell cycle stages. In the second part, I investigate the role of the chromatin remodeler INO80C on the nascent transcription around replication origins. I show that INO80C, together with the transcription factor Mot1, prevents cryptic transcription around yeast replication origins, and the loss of these proteins lead to an increase in DNA double strand breaks. I hypothesize that recruitment of INO80C ensures proper positioning of nucleosomes around origins and the exclusion of RNA Pol II to prevent cryptic initiation. Together these findings indicate that H3K56Ac regulates transcription globally by enhancing nucleosome turnover, and it prevents cryptic transcription and reinforces transcriptional fidelity by promoting efficient nucleosome assembly in the S-phase. In addition, INO80C maintains genome stability by preventing cryptic transcription around the origins.

Die MYST-HAT Sas2 in Saccharomyces cerevisiae acetyliert Histon H4 an Lysin 16 (H4 K16Ac), was die Heterochromatinausbreitung an Telomeren begrenzt. Sas2 interagiert mit den Histonchaperonen Asf1 und CAF-1. Da CAF-1 während der DNA-Replikation in der S-Phase aktiv ist, ergab sich die Hypothese, dass Sas2-katalysiertes H4 K16Ac genomweit während der S-Phase ins Chromatin eingebaut wird. Durch Aktivierung von Sas2 stieg die Menge von H4 K16Ac in der S-Phase, aber nicht in der G1-Phase, in Abhängigkeit von Asf1 und CAF-1 an. Dieses H4 K16Ac wurde jedoch nicht ins Chromatin eingebaut. Dies deutete auf die Existenz eines H4 K16Ac-Pools hin. Sas2-katalysiertes H4 K16Ac hat auch eine genomweite Funktion, da das H4 K16Ac-Niveau an ORFs in sas2D Zellen vermindert ist. Eine Hypothese ist, dass H4 K16Ac euchromatische Gene vor SIR-vermittelter transkriptioneller Stilllegung schützt. Entsprechend ist das H4 K16Ac-Niveau an schwach transkribierten Genen hoch und an stark transkribierten Genen niedrig. Wir konnten zeigen, dass sich H4 K16Ac an GAL-Genen während deren Repression anreichert. Dieser H4 K16Ac-Einbau ist abhängig vom Histonchaperon Spt6. In spt6-1004 Zellen war das H4 K16Ac-Niveau an stark sowie an schwach transkribierten Genen höher als im Wildtyp, während die H4-Menge an diesen Genen reduziert war. Dies weist auf einen indirekten Effekt von Spt6 hin, indem es das H4 K16Ac-Niveau durch den Einbau von K16-unacetyliertem H4 während der Transkription reguliert. Die Abwesenheit anderer Histonchaperone (Asf1, CAF-1, HIR, Rtt106) hatte keinen Einfluss auf den repressionsgekoppelten H4 K16Ac-Einbau. Weiterhin konnten wir zeigen, dass H4 K16Ac nicht notwendig ist, um die Bindung des SIR-Komplexes an euchromatischen Genen zu verhindern, da das verminderte H4 K16Ac-Niveau an ORFs in sas2D Zellen nicht auf Deacetylierung durch Sir2 zurückzuführen war. Daher verhindert Sas2-katalysiertes H4 K16Ac die SIR-Bindung nur an subtelomerischen Loci, jedoch nicht in genomweitem Maßstab. / In Saccharomyces cerevisiae, the MYST HAT Sas2 acetylates histone H4 lysine 16 (H4 K16Ac), which prevents the spreading of heterochromatin at telomeres. Sas2 interacts with the histone chaperones Asf1 and CAF-1, the latter of which is active during DNA replication in S-phase, suggesting a genome-wide incorporation of Sas2-mediated H4 K16Ac during S-phase. Upon activation of Sas2, H4 K16Ac on bulk histone H4 increased during S-phase, but not G1-phase, in an Asf1- and CAF-1-dependent manner. Unexpectedly, H4 K16Ac was not incorporated into chromatin during S-phase following its acetylation, which suggested the existence of a nuclear pool of H4 K16Ac. Moreover, Sas2-mediated H4 K16Ac is suggested to have a genome-wide function, since in sas2D cells, H4 K16Ac is decreased at ORFs. One hypothesis is that Sas2-mediated H4 K16Ac might protect euchromatic genes from being spuriously silenced by SIR proteins. Accordingly, H4 K16Ac is highly enriched at poorly transcribed genes, but not at highly expressed genes. In this study, we found that H4 K16Ac became enriched at GAL genes upon repression. Importantly, this H4 K16Ac incorporation required the histone chaperone Spt6. In spt6-1004 cells, H4 K16Ac levels were higher at highly and poorly transcribed genes compared to wild type, whereas H4 occupancy was lower than in wild type. The data suggested an indirect effect of Spt6 in that it regulates H4 K16Ac levels by the incorporation of K16-unacetylated histone H4 during transcription. In contrast, the absence of other histone chaperones (Asf1, CAF-1, HIR, Rtt106) had no effect on H4 K16Ac enrichment upon gene repression. Moreover, we could show that H4 K16Ac was not necessary to prevent the erroneous binding of the SIR complex in euchromatic regions. The decrease of H4 K16Ac at ORFs in sas2∆ cells was not caused by an activity of the HDAC Sir2. Thus, Sas2-mediated H4 K16Ac prevents the binding of the SIR complex only at subtelomeric loci, but not on a genome-wide scale.

Pubertal timing displays wide, normally distributed variation in a healthy population of sexually maturing adolescents. However, like many complex traits, factors contributing to the variation are not well understood. Epigenetic regulation may contribute to some of the population variation. The role that epigenetics, specifically DNA methylation and histone acetylation, may play in regulating pubertal timing was investigated in C57BL/6 female mice: investigating whether population variation in pubertal timing among inbred mice could be explained by environmental factors; whether perturbing the epigenome using a histone deacetylase inhibitor or methyl-donor would alter pubertal timing; and examining genome-wide methylation patterns in hypothalami of early versus late maturing mice. Results demonstrate that measurable micro-environmental factors have only negligible effects on pubertal timing; pubertal timing was significantly altered by administration of epigenetic modifying agents; differences in methylation patterns are subtle. This initial evidence supports the involvement of epigenetic mechanisms in regulating pubertal timing.