En influençant le degré de compaction de la chromatine ainsi que ses interactions avec différents partenaires protéiques, les modifications post-traductionnelles des histones sont impliquées dans la régulation de l’expression des gènes. Avec les différents variants d’histones incorporés dans la chromatine, ces modifications dynamiques et sensibles à l’environnement sont constitutives du code histone. Ce travail présente une approche globale de criblage baptisée approche histonomique, visant à révéler une perturbation épigénétique à l’échelle des histones. Cette approche originale offre une comparaison rapide et fiable des abondances relatives des variants d’histones et de leurs modifications post-traductionnelles dans des cellules humaines en une seule analyse LC-MS. Comme preuve de concept, des cellules BeWo issues de choriocarcinome humain ont été exposées au butyrate de sodium, un inhibiteur non spécifique d’histones désacétylases. Les histones extraites des échantillons témoins ou traités au butyrate de sodium à 1 ou 2,5 mM ont été analysées par chromatographie liquide ultra performante couplée à un spectromètre de masse de type Q-TOF. Les analyses statistiques multivariées ont permis de discriminer les échantillons témoins des échantillons traités sur la base des différences de degrés d’acétylation observés sur plusieurs formes d’histones. La même approche a ensuite été appliquée à des cellules exposées au B[a]P à 1 μM et a révélé deux principaux marqueurs caractéristiques d’un remodelage de la chromatine induit par les effets génotoxiques duB[a]P. En résumé, cette approche histonomique globale pourrait se révéler être un outil complémentaire très utile pour explorer une potentielle perturbation du code histone lors d’exposition à des xénobiotiques environnementaux. / While acting upon chromatin compaction, histone post-translational modifications (PTMs) are involved in modulating gene expression through histone–DNA affinity and protein–protein interactions. These dynamic and environment-sensitive modifications are constitutive of the histone code that reflects the transient transcriptional state of the chromatin. Here we describe a global screening approach for revealing epigenetic disruption at the histone level. This original approach enables fast and reliable relative abundance comparison of histone PTMs and variants in human cells within a single LC-MS experiment. As a proof of concept, we exposed BeWo human choriocarcinoma cells to sodium butyrate (SB), a universal histone deacetylase (HDAC) inhibitor. Histone acide xtracts equally representing 3 distinct classes, Control, 1 mM and 2.5 mM SB, we reanalyzed using ultra-performance liquid chromatography coupled with a hybrid quadrupoletime-of-flight mass spectrometer (UPLC-QTOF-MS). Multivariate statistics allowed us to discriminate control from treated samples based on differences in the acetylation level of several histone forms. We then applied the same procedure to cells treated with 1 μMB[a]P and suceeded in revealing two markers of chromatin remodeling in relation withgenotoxic properties of B[a]P. Indeed, this untargeted histonomic approach could be auseful exploratory tool in many cases of environmental xenobiotic exposure when histone code disruption is suspected.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / CXXC finger protein 1 (Cfp1), a component of the Set1 histone methyltransferase complex, is a critical epigenetic regulator of both histone and cytosine methylation. Murine embryos lacking Cfp1 are unable to gastrulate and Cfp1-null embryonic stem (ES) cells fail to undergo cellular differentiation in vitro. However, expression of wild type Cfp1 in Cfp1-null ES cells rescues differentiation capacity, suggesting that dynamic epigenetic changes occurring during lineage specification require Cfp1. The domain structure of Cfp1 consists of a DNA binding CXXC domain and an N-terminal plant homeodomain (PHD). PHDs are frequently observed in chromatin remodeling proteins, functioning as reader modules for histone marks. However, the histone binding properties and underlying functional significance of Cfp1 PHD are largely unknown. My research revealed that Cfp1 PHD directly and specifically binds to histone H3K4me1/me2/me3 marks. A point mutation that abolishes binding to methylated H3K4 (W49A) does not affect rescue of cellular differentiation, but, point mutations that abolish both methylated H3K4 (W49A) and DNA (C169A) binding result in defective in vitro differentiation, indicating that PHD and CXXC exhibit redundant functions. The mammalian liver has the unique ability to regenerate following injury. Previous studies indicated that Cfp1 is essential for hematopoiesis in zebrafish and mice. I hypothesized that Cfp1 additionally plays a role in liver development and regeneration. To understand the importance of Cfp1 in liver development and regeneration, I generated a mouse line lacking Cfp1 specifically in the liver (Cfp1fl/fl Alb-Cre+). Around 40% of these mice display a wasting phenotype and die within a year. Livers of these mice have altered global H3K4me3 levels and often exhibit regenerative nodules. Most importantly, livers of these mice display an impaired regenerative response following partial hepatectomy. Collectively, these findings establish Cfp1 as an epigenetic regulator essential for ES cell function and liver homeostasis and regeneration.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Histones are highly basic proteins which when digested by trypsin are hard to analyze using mass spectrometry. Because histones are basic nuclear proteins, a nuclei prep followed by acid extraction is the best purification strategy to increase overall abundance of purified histones. Blocking the lysine residues and cleaving with trypsin is a useful technique to increase detection of histone peptides using MudPIT. In particular, carbamylation and propionylation are the best two methods to block lysine residues. Using both propionylation and carbamylation along with no treatment has been shown to increase the identification of unmodified and modified histone peptides when coupled with MudPIT analysis.

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Toute l'information génétique octroyant l'existence à une cellule est encodée par les milliards de paires de bases d'ADN retrouvées principalement à l'intérieur du noyau. Toutefois, pour des raisons d'espace et d'accessibilité, tout cet ADN est soumis à de nombreuses étapes de compaction en plus d'être fractionné dans le but de former ultimement les chromosomes. Malgré que l'extrême compaction de l'ADN permette la protection des acides nucléiques contre la dégradation, certaines structures demeurent vulnérables et nécessitent une protection toute particulière. C'est le cas de séquences se retrouvant à l'extrémité des chromosomes, les télomères. Les télomères sont constitués de répétitions en tandem d'ADN non codant associées avec de nombreuses protéines spécialisées permettant une protection efficace contre la perte d'informations génétiques dû à la dégradation enzymatique ou à l'érosion naturelle. Ces structures télomériques sont normalement maintenues par une machinerie spécialisée, la télomérase, qui composée d'une sous unité ARN et de partenaires protéiques permet l'ajout de séquences télomériques spécifiquement aux extrémités. Cette enzyme essentielle est régulée par de nombreuses protéines et parmi celles-ci, de nombreuses observations font état du rôle essentiel joué par deux protéines kinases, les protéines Tel1p et Mec1p. Ces kinases occupent une double fonction; elles sont importantes pour la régulation de la taille des télomères, mais sont également au coeur de la réponse cellulaire face aux dommages à l'ADN. Étant donné la nature des télomères, soit des extrémités d'ADN libres, ceux-ci sont identiques en de nombreux points aux cassures double brins d'ADN expliquant probablement la double implication de ces protéines. Durant mes études, je me suis particulièrement intéressé à la double fonction jouée par les kinases Tel1p et Mec1p au niveau des télomères et du processus de réponse aux dommages à l'ADN. Dans un premier temps, avec l'aide d'un collègue j'ai pu démontrer l'étendue des fonctions télomériques et de réponses aux dommages à l'ADN jouées par Tel1p via l'isolation et la caractérisation d'un allèle de séparation de fonctions. Dans un deuxième temps, en poursuivant mes analyses génétiques sur la kinase Tel1p, j'ai pu déterminer que cette protéine possédait des fonctions indépendantes à celles octroyées par son domaine kinase, observation allant à l'encontre de l'idée générale que Tel1p sans fonction kinase opérationnelle simulait un allèle nul. Dans la même ligne de pensée, mes études ont permis d'identifier un nouveau mécanisme de régulation de la télomérase essentiel joué par les kinases Mec1p et Tel1p. En parallèle, je me suis intéressé aux mécanismes cellulaires permettant une régulation de l'enroulement global de l'ADN permettant son accessibilité à toutes les machineries cellulaires de transcription, de réparation et de réplication de l'ADN. Mes travaux ont permis d'identifier qu'une modification des histones, protéines critiques dans le processus de compaction de l'ADN, était extrêmement importante dans le processus de réponse aux dommages à l'ADN. En effet la triméthylation de l'histone H3 sur sa lysine 4 permet à la cellule de pouvoir efficacement réparer les dommages via la réparation de bout non-homologue et permettait de stabiliser les fourches de réplications soumises à un stress cellulaire. Globalement mes résultats m'ont permis de mieux comprendre deux moyens distincts utilisés par les cellules pour maintenir l'intégrité de leur génome : les rôles joués par les kinases Tel1p et Mec1p aux télomères et dans la réparation des dommages à l'ADN, ainsi que l'implication de la modification d'histone H3K4me3 dans le processus de réponse aux dommages à l'ADN.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'empreinte génomique est un mécanisme épigénétique qui conduit à l'expression d'un seul des deux allèles parentaux pour une centaine de gènes autosomaux chez les mammifères. La majorité des gènes soumis à l'empreinte est regroupée en clusters et tous ces gènes sont sous le contrôle de séquences discrètes appelées ICR (Imprinting Control Region). Les ICRs sont marquées épigénétiquement par une méthylation d'ADN et des modifications des histones alléliques. La méthylation d'ADN au niveau de ces ICRs est un facteur clé de l'empreinte et va être établie dans les lignées germinales suivant le sexe de l'embryon. Après fécondation, le nouvel embryon portera les empreintes paternelles et maternelles, ces empreintes devront alors être maintenues pendant tout le développement et interprétés dans le but de conduire à l'expression allélique des gènes soumis à l'empreinte. Cependant, la méthylation d'ADN ne peut expliquer à elle seule tous les aspects de l'empreinte génomique. Ainsi, d'autres marques épigénétiques doivent agir dans le maintien et la lecture de ces empreintes. Nous avons mis en évidence dans un premier temps que le contrôle de l'expression allélique dans le cerveau de Grb10 repose sur la résolution d'un domaine bivalent allélique spécifiquement dans le cerveau. Ces résultats mettent en avant pour la première fois un domaine bivalent dans le contrôle de l'expression des gènes soumis à l'empreinte et propose un nouveau mécanisme dans l'expression tissu spécifique de ces gènes. D'autre part, bien que des études en cellules ES aient démontré un rôle de G9a dans le maintien des empreintes au cours du développement embryonnaire, nos données suggèrent que G9a ne serait pas essentielle a ce maintien dans un contexte in vivo. / Genomic imprinting is a developmental mechanism which leads to parent-of-origin-specific expression for about one hundred genes in mammals. Most of imprinted genes are clustered and all are under control of sequence of few kilobases called Imprinting Control Region or ICR. ICRs are epigenetically marked by allelic DNA methylation and histone modifications. DNA methylation on ICRs is a key factor which is established in germ cells according to the sex of the embryo. After fecundation, the new embryo will harbored both paternal and maternal imprints which have to be maintained during the development and read to lead to allelic expression of imprinted genes. However, allelic DNA methylation alone cannot explain every aspect of genomic imprinting. Thus, there should be other epigenetic marks which act in the maintaining and reading of the imprints.Our data first indicate that bivalent chromatin, in combination with neuronal factors, controls the paternal expression of Grb10 in brain, the bivalent domain being resolved upon neural commitment, during the developmental window in which paternal expression is activated. This finding highlights a novel mechanism to control tissue-specific imprinting. On an other hand, although previous studies in ES cells show a role for G9a in the maintaining of imprints during embryonic development, our data suggest that G9a would not be essential in an in vivo model.

The 2-oxoglutarate and ferrous ion dependent oxygenases are a super family of enzymes that are involved in a wide range of biological processes regulated trough the mechanism of post-translational modification (PTM). Such biological processes include hypoxia sensing (through regulating HIF transcription), fatty acid metabolism (through carnitine production), transcriptional regulation (through demethylation of histones), and collagen structure formation (through proline and lysine hydroxylation). To understand the underlying mechanisms of such regulatory processes, and to develop clinically useful inhibitors, and thereby regulate these processes in living organisms, requires sensitive methods for monitoring enzyme activity. The use of indirect methods such as quantification of reaction products (14CO2 or succinate) can be problematic, as both products can result from competitive reactions. Alternative direct measurement of substrate modifications using mass spectrometry-based proteomics can be applied; however, (1) for this technique the limit of detection is often prohibitive, (2) the method is best suited for the confirmation of known modifications, rather than for the discovery of new modifications, and (3) sequence coverage may often be only 60%, and therefore many modifications can be missed. The aim of the research presented in this thesis was to develop amino acid analysis and to apply these methods to the identification and quantification of PTMs catalysed by 2-oxoglutarate and ferrous ion dependent oxygenases. A range of LC-MS approaches were investigated including: (1) C18 reversed phase chromatography of quinoline derivatised amino acids, (2) ion paring chromatography, and (3) mixed mode chromatography with either UV, or conventional molecular MS, or isotope ratio mass spectrometry detection. Analysis of the elution patterns for those separation techniques enabled estimation of the retention parameters of modified amino acids and the identification of the modifications, where no standards were available. The most sensitive approach developed employed mixed mode chromatography coupled to isotope ratio mass spectrometry which was optimised for the analysis of modified amino acids. This was shown to have a limit of detection two orders of magnitude lower (0.01μM) than other conventional mass spectrometry techniques. Using amino acid labelling in cell culture, a quantification protocol was developed which employed a non-labelled internal standard and selectively labelled cell culture. The method was shown to be suitable for both very accurate quantification at low concentration levels and metabolic studies, allowing us to track back the modifications to their precursors. The analytical methods developed for amino acid analysis were successfully applied to the analysis of modifications resulting from 2-oxoglutarate and Fe dependent oxygenase activity. Stereochemistry of lysyl hydroxylation in the splicing regulatory protein Luk7L2 by JmjD6 as well as of the self hydroxylation of the JmjD6 was identified. The stereochemistry was shown to be different from that of previously reported for the collagen hydroxyline, hydroxylated by the another member of this enzyme family. mbP4H enzyme was shown to catalyse prolyl hydroxylation of taODD resulting in 4R-hydroxyprolyl. Amino acid analysis was used in order to verify the mechanism of the hBBOX catalysed rearrangement of Mildronate. Using the method developed for the analysis of non-derivatised amino acids the screening of potential substrates of hBBOX enzyme was carried out and two new substrates were identified. The isotope ratio mass spectrometry protocol was applied to the study of histones from cell culture; low levels of hydroxylated and methylated amino acids were quantified. The analytical methods described were developed to complement to the well established proteomics techniques. The methods developed enable investigation into the region- and stereo- chemistry of the modified groups within the modified AA residue and has proved to be a powerful tool of exploratory PTM analysis.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La réplication de l'ADN au cours de la phase S est initiée au niveau de sites spécifiques, appelés origines de réplication, qui sont distribués de manière adéquate le long des chromosomes et actifs une seule fois par cycle cellulaire. Les mécanismes qui contrôlent la position des origines de réplication restent énigmatiques chez les mammifères. Les travaux réalisés pendant cette thèse révèlent que la lysine méthyltransférase PR-Set7 humaine, responsable de la mono-méthylation de la lysine 20 de l'histone H4, induit un réarrangement chromatinien au niveau des nombreuses origines de réplication des gènes actifs. Celui-ci est caractérisé par la mono- et tri-méthylation de la lysine 20 de l'histone H4 et la tri-méthylation de la lysine 4 de l'histone H3. Ce profil de méthylation d'histones constituerait un signal épigénétique pour le recrutement sur la chromatine des facteurs nécessaires à la formation des origines de réplication, indépendamment d'un rôle sur la transcription. En effet, la présence d'une forme active de PR-Set7 en amont d'un gène rapporteur est suffisante pour induire cette cascade de méthylation et la formation d'une nouvelle origine de réplication au niveau de ce gène sans en modifier son expression. De la même manière, l'inactivation de l'enzyme dans une cellule conduit à l'inverse à une diminution du nombre total d'origines sans un effet majeur sur l'expression des gènes. Lors de la phase S, PR-Set7 est dégradée via le complexe E3 ligase CRL4Cdt2 et la protéine PCNA. Cette dégradation permet la disparition au niveau de la chromatine du signal de formation des origines, s'assurant ainsi qu'elles sont actives une seule fois par cycle. La mutation du domaine d'interaction avec PCNA est suffisante en effet pour empêcher la dégradation de PR-Set7, entraînant alors la formation et activation répétées des origines pendant la phase S (phénotype de sur-réplication). Ces résultats établissent la cascade de méthylation initiée par PR-Set7 pendant la mitose comme le mécanisme épigénétique contrôlant la mise en place et l'activation d'au moins la moitié des origines de réplication chez les mammifères. / In order to ensure accurate inheritance of genetic information through cell proliferation, chromosomes must be precisely copied once and only once and then correctly distributed to daughter cells. Chromosome replication occurs during the S phase of the cell cycle and is initiated at discrete chromosomal sites called replication origins. However, the ability to activate replication origins occurs during mitosis of the previous cell cycle and continuing into early G1 phase. This crucial step, called DNA replication licensing, consists of the assembly of a multi-protein pre-Replicative Complex (pre-RC) onto origins, making them competent for replication. During S phase, pre-RC are inhibited by different ways, that ensures that origins are activated only once per cycle and prevents DNA rereplication (multiple initiations from the same origin). In metazoans, functional replication origins do not show defined DNA consensus sequences, thus evoking the involvement of chromatin determinants in the selection of these origins.During my thesis, I have discovered that that the onset of licensing in mammalian cells coincides with an increase in histone H4 Lysine 20 monomethylation (H4K20me1) at replication origins by the methyltransferase PR-Set7. By genome mapping of H4-20me1 signals during the cell cycle, we found that nearly half of origins that fire during S phase are associated with H4-K20me1 during mitosis, when the process of replication licensing is activated. This mitotic H4-K20me1 signature is highly significant for origins located near transcription start sites and promoters that are characterized by the presence of CpG islands and H3-K4me3 signals. Furthermore, tethering PR-Set7 methylase activity to an origin-free genomic locus is sufficient to promote a chromatin remodeling follow by a creation of a functional origin of replication and promotes replication initiation. PR-Set7 and H4K20me1 are cell-cycle regulated, with high levels during M and early G1 and very low in S phase. At the onset of S phase, PR-Set7 undergoes an ubiquitin-mediated proteolysis, which depends on its interaction with the sliding-clamp protein PCNA and involves the ubiquitin E3 ligase CRL4-Cdt2. Strikingly, expression of a PR-Set7 mutant insensitive to this degradation causes the maintenance of H4K20me1 and repeated DNA replication at origins. This photolytic regulation controls the initiation of replication origin.This suggests that a cascade of lysine methylation events, initiated by PR-Set7 during mitosis, would define the position of origins in open chromatin structures.