Le fer est un cofacteur essentiel à la croissance des organismes. Cependant, un surplus de fer conduit à la production de dérivés toxiques de l’oxygène qui sont dangereux pour les cellules. La concentration intracellulaire de fer doit donc être régulée. Lorsque la biodisponibilité du fer s’amenuise, la plupart des cellules augmentent leur acquisition du fer environnemental tout en réduisant sa consommation en réprimant plusieurs voies métaboliques fer-dépendantes non-essentielles. Alors que les mécanismes qui régissent l’augmentation de l’acquisition du fer sont assez bien caractérisés, les composantes qui contrôlent la promotion de l’économie du fer sont largement méconnues. Mes travaux ont porté sur l’étude des mécanismes de contrôle de l’économie du fer chez la levure à fission Schizosaccharomyces pombe. Php4, une sous-unité du complexe liant les boîtes CCAAT, est responsable de la répression des gènes codants pour des protéines qui utilisent du fer lorsque ce dernier est en faible concentration. Il est déjà connu qu’en présence de fer, l’expression du gène php4+ est réprimée via le facteur de transcription Fep1. De plus, la protéine Php4 est inactivée et exportée hors du noyau lorsque les cellules croissent en présence de fer. Ce processus est dépendant à la fois de la présence de l’exportine Crm1 et de la monothiol glutarédoxine Grx4. L’objectif de recherche est de découvrir le mécanisme par lequel Grx4 inhibe Php4 en réponse à la présence de fer. L’approche du double-hybride a été utilisée pour quantifier la force de l’interaction entre Php4 et Grx4 et identifier les domaines de ces protéines qui y participent. Ce système nous a permis de déterminer que Php4 interagit de façon constitutive avec le domaine thiorédoxine (TRX) de Grx4, alors que l’interaction entre Php4 et le domaine glutarédoxine (GRX) est dépendante de la présence de fer. Nous avons déterminé que la cystéine 35 du domaine TRX et la cystéine 172 du domaine GRX sont essentiels pour l’interaction de chacun de ces domaines avec Php4. Des régions minimales de Php4 nécessaires pour son interaction avec chacun des domaines GRX et TRX ont aussi été identifiées. Par la suite, nous avons démontré que l’expression du domaine GRX seul de Grx4 est suffisante pour l’inactivation de Php4 en présence de fer. Puis, par des essais de fluorescence par complémentation bimoléculaire (BiFC), nous avons démontré que le domaine GRX de Grx4 interagit de façon fer-dépendante avec Php4 et qu’il est suffisant pour l’exportation de Php4 hors du noyau en présence de fer. Ces résultats révèlent que le mécanisme par lequel Php4 est inhibé en présence de fer dépend de son interaction avec le domaine GRX de Grx4. À la suite des résultats obtenus, un modèle illustrant l’interaction fer-dépendante entre Grx4 et Php4 suggère la présence potentielle d’un centre fer-soufre qui pourrait expliquer la nature de l’interaction fer-dépendante entre les deux protéines.

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

La pollution par les métaux lourds entraine des conséquences néfastes pour les sols et pour les communautés qui les colonisent. Afin d'étudier la diversité des mécanismes moléculaires mis en jeu par ces organismes en réponse au stress métallique, deux approches différentes ont été menées.Premièrement, une approche ciblée de caractérisation fonctionnelle de gènes impliqués dans l'homéostasie et la tolérance au zinc a été menée chez Laccaria bicolor, un champignon ectomycorhizien modèle à forte valeur économique ajoutée. L'homéostasie et la tolérance au zinc sont essentiellement liées à l'activité des transporteurs des familles ZIP (Zrt-, Irt- related Protein) et CDF (Cation Diffusion Facilitator). Une étude phylogénétique a permis de mettre en évidence une expansion du nombre de gènes appartenant à ces deux familles dans le génome de L. bicolor, comparé à celui de S. cerevisiae. Le niveau d'expression de ces différents gènes a ensuite été étudié dans différents tissus fongiques ou en présence de différentes concentrations en zinc. L'étude s'est poursuivie par la caractérisation fonctionnelle et la localisation subcellulaire de plusieurs membres CDF et ZIP. L'ensemble de ces analyses ont permis d'affiner fortement les connaissances dans le domaine de l'homéostasie et de la tolérance au zinc chez les champignons ectomycorhiziens. Enfin, une approche expérimentale innovante de métatranscriptomique a également été utilisée. Cette étude du métatranscriptome a permis la comparaison de fonctions exprimées au sein de communautés de microorganismes eucaryotes colonisant des sols d'intérêt (contaminé, anciennement contaminé et non contaminé par des métaux lourds). Des banques environnementales d'ADNc construites à partir des ARN messagers extraits directement de ces sols ont été criblées par complémentation fonctionnelle de mutants de levures sensibles au zinc. Cette étude a permis l'identification de nouveaux gènes et de nouveaux mécanismes impliqués dans la résistance au zinc. La mise au point de cette approche ouvre de nouvelles perspectives intéressantes au niveau de la recherche fondamentale mais aussi de la recherche appliquée en permettant la détection de gènes d'intérêt, que l'organisme soit cultivable ou non / Heavy metal pollution leads to harmful impacts on lands and their associated communities. In order to study the diversity of the molecular determinants involved in metal tolerance by these organisms, two different strategies were employed. First, the mechanisms involved in zinc homeostasis and tolerance were studied by functional characterization of selected genes in Laccaria bicolor, an ectomycorrhizal model fungus with high economic value. Zinc homeostasis and tolerance mechanisms are mainly achieve d through the intracellular traffic of zinc mediated by transporters belonging to the ZIP (Zrt-, Irt- related Protein) and CDF (Cation Diffusion Facilitator) families. Phylogenetic analyses revealed an expansion of both CDF and ZIP gene numbers in the genome of L. bicolor, when compared to that of S. cerevisiae. Gene expression was also studied in different fungal tissues or under different zinc concentrations in the culture medium. Moreover, the functional characterization of several CDF and ZIP members was performed, as well as their subcellular localization. These data allowed us to refine the knowledge on the molecular mechanisms involved in both zinc homeostasis and tolerance in ectomycorrhizal fungi. Finally, an innovative experimental approach of metatranscriptomics was used. The study of the soil metatranscriptome from eukaryotes allows the comparison of functions expressed in eukaryotic communities colonizing different types of soil (contaminated, formerly contaminated, or non-contaminated by heavy metals). Environmental cDNA libraries constructed from mRNA extracted directly from these soils were screened by functional complementation of yeast mutants sensitive to zinc. This study allowed the identification of new genes and new mechanisms involved in zinc resistance. The development of this approach opens new insights into both fundamental and applied research for the detection of genes of interest, whatever the organism is cultivable or not

La fixation biologique d’azote (réduction du N2 atmosphérique, non biodisponible, en ammonium (NH3) bioassimilable) est catalysée par la métalloenzyme nitrogénase. Cette enzyme existe sous trois isoformes chez la bactérie du sol Azotobacter vinelandii: les nitrogénases au molybdène (Mo), au vanadium (V) et au fer (Fe). L’acquisition des métaux cofacteurs constitue un paramètre d’intérêt majeur car Mo et V sont fortement complexés à la matrice (matière organique et oxydes) ce qui peut limiter leur disponibilité. Ces travaux ont montré que la présence d’acide tannique et d’oxydes de fer entraîne des changements majeurs dans la gestion des métaux cofacteurs (Mo et V) chez A. vinelandii. Les stratégies d’acquisition des métaux cofacteurs sont fortement modifiées en présence de ces complexants avec (i) un changement important de la quantité des metallophores produits ainsi que (ii) une acquisition simultanée de Mo et V dans des conditions traditionnellement considérées comme non limitantes en Mo. Ceci se traduit par un changement important dans l’utilisation des nitrogénases; les niveaux de transcrits élevés des gènes nifD et vnfD, spécifiques des nitrogénases au Mo et au V respectivement, suggèrent une utilisation simultanée de ces isoenzymes pour assurer la fixation d’azote. Ce projet a permis de mettre en évidence que face à un stress métallique, l’utilisation des isoformes de la nitrogénase par A. vinelandii est un processus plus versatile que précédemment décrit et que le coût d’acquisition des métaux dans ces conditions constitue un facteur important de la régulation de l’activité des nitrogénases. Ceci suggère que les nitrogénases alternatives pourraient contribuer à la fixation d’azote de manière plus importante que présentement admis.

Tout au long de la vie d’un individu, il existe un nombre optimal de cellules à produire et de progéniteurs à conserver en réserve. On parle de maintien de l’homéostasie tissulaire. De façon générale, l’organisme a cinq possibilités pour réguler l’homéostasie : l’autorenouvellement et la quiescence, souvent utilisés pour maintenir un ‘pool’ fonctionnel de progéniteurs, la différenciation qui permet de produire des cellules effectrices, l’apoptose et la sénescence, qui permettent de limiter la production de cellules ou encore d’en faire diminuer le nombre quand elles sont en excès. La régulation de ces quatre mécanismes peut se faire de façon extrinsèque en passant par différentes voies de signalisation combinées à l’action intrinsèque de facteurs de transcription comme Ikaros et GATA1. Le facteur de transcription Ikaros joue un rôle critique dans le devenir des cellules progénitrices et la différenciation des lignages hématopoïétiques. Cependant, il demeure surtout connu pour son influence sur la voie Notch dans les cellules lymphoïdes, notamment les lymphocytes T. Les cellules érythroïdes sont hautement sensibles à l’environnement et donc, particulièrement adaptées à l’étude des régulations de l’homéostasie. Les résultats de différentes études ont permis de démontrer qu’Ikaros et la voie Notch influencent l’érythropoïèse. Cependant le détail de leurs actions demeure en grande partie inconnu à ce jour. Au cours de notre étude nous avons voulu déterminer l’action d’Ikaros dans le maintien de l’homéostasie des cellules érythroïdes et si son rôle passe par un dialogue avec la voie Notch. Nous avons voulu décrypter les mécanismes de régulation transcriptionnelle utilisés par Ikaros et par Notch au cours de l’érythropoïèse et leurs effets. Notre étude montre qu’Ikaros réprime à l’aide de GATA1 le gène Hes1, une cible importante de la voie Notch, en recrutant un complexe de la famille Polycomb, le PRC2 ii (Polycomb Repressive Complex 2). Cette répression permet la promotion de la différenciation des cellules érythroïdes. Au niveau du maintien de l’homéostasie par régulation de l’apoptose, Ikaros est connu pour cibler l’anti-apoptotique Bcl2l1 dans les lymphocytes. Puisque Gata-1, partenaire préférentiel d’Ikaros cible Bcl2l1 dans les cellules érythroïdes, nous avons caractérisé leur effet sur l’expression de Bcl2l1. Nous avons découvert qu’Ikaros active de façon directe Bcl2l1 et qu’il recrute sur le gène deux complexes partenaires d’élongation : un de la famille SET1/MLL, et le complexe P-TEFb-NuRD. En l’absence d’Ikaros, le fragment intracellulaire de Notch (NICD) et son cofacteur RBP-J remplacent Ikaros et favorisent l’hyper-activation de l’expression de Bcl2l1. Ceci est associé à la modification du complexe d’élongation recruté, ainsi qu’à la mise en place de modifications épigénétiques distinctes de celles observées avec Ikaros ce qui modifie l’élongation transcriptionnelle du gène. Ikaros et Notch sont fréquemment mutés ou présentent des fonctions altérées dans les leucémies. Notre étude montre un dialogue Ikaros/Notch influençant aussi bien la différenciation que l’apoptose et met en évidence l’existence d’un circuit génétique dont le dérèglement pourrait favoriser l’apparition d’une hématopoïèse maligne. / Throughout the life of an individual, there is an optimal count of cells to produce and progenitors to conserve in stock. This is the tissue homeostasis maintenance. In a general fashion the organism has five means to regulate the homeostasis. Self-renewal and quiescence, often used in order to maintain a functional progenitors pool. Differentiation enhances effector cells production. Apoptosis and senescence can limit cell production and reduce cell number in case of excess. These regulation mechanisms can be performed in an extrinsic fashion using different signaling pathways combined with the action of transcription factors like Ikaros and GATA1. The transcription factor Ikaros is critical for progenitor cells fate and hematopoietic lineages differentiation. However, Ikaros is mostly known for its influence on Notch signaling in lymphoid cells, notably T lymphocytes. Erythroid cells are highly sensitive to the environment thus, particularly adapted to study homeostasis maintenance regulation. Results obtained in different studies showed Ikaros and Notch signaling influencing erythropoiesis. However, the detail of their effect remains mainly unknown to day. Our aim was to determine Ikaros effect on erythroid cells homeostasis maintenance and if its role involved a cross-talk with Notch signaling. We will decipher transcription regulation mechanisms used by Ikaros and Notch during erythropoiesis and their effects. We show Ikaros uses GATA1 to repress Hes1, a major Notch target by recruiting a Polycomb family complex, the PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2). This repression promotes erythroid cells differentiation. At the apoptosis mediated control of homeostasis level, Ikaros is known to target Bcl2l1 in lymphocytes. As GATA1, Ikaros preferential partner, targets Bcl2l1 in erythroid cells, we assessed their effect on Bcl2l1 expression. We discovered Ikaros directly activates Bcl2l1 iv and recruits two elongation associated complexes: one from SET1/MLL complex family, and the P-TEFb-NuRD complex. In the absence of Ikaros, the intracellular fragment of Notch (NICD) and its cofactor RBP-J replace Ikaros and favors Bcl2l1 overactivation. This is associated with a switch of recruited elongation associated complex and the establishment of distinct epigenetic modifications from those observed with Ikaros, which modifies the gene transcriptional elongation. Ikaros and Notch are frequently mutated or present altered functions in leukemia. Our works present an Ikaros/Notch cross-talk influencing as well differentiation as apoptosis and reveal the existence of a genetic circuit for which a malfunction could favor hematologic disorders. Keywords : transcription, homeostasis, erythropoiesis

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

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

P. chrysosporium est un champignon saprophyte capable de dégrader de nombreux xénobiotiques, ce qui le rend particulièrement intéressant pour des applications en bioremédiation. Plusieurs publications mettent en avant l'importance de la maîtrise de l'homéostasie métallique dans la production de certaines enzymes lignolytiques. La présence de manganèse est en effet nécessaire à la production des manganèses peroxydases, alors qu'à l'inverse une carence permettra la production de lignines peroxydases. Cependant, la caractérisation de transporteurs impliqués dans le contrôle de l'homéostasie métallique n'a fait l'objet de recherches poussées que chez le champignon modèle S. cerevisiae. L'analyse des transporteurs putatifs de manganèse de 26 espèces fongiques représentant 20 ordres fongiques a permis de constituer un répertoire de 281 transporteurs de manganèse. L'analyse phylogénétique a permis de mettre en évidence que des processus de duplication, mais également de délétion, avaient eu lieu en particulier chez S. cerevisiae. Cependant ce dernier ne possède pas de transporteurs de manganèse appartenant à la famille des Cation Diffusion Facilitator. Dans le génome de P. chrysosporium, onze transporteurs de manganèse appartenant à différentes familles de gènes ont été identifiés. Le niveau d'expression de ces différents gènes a été étudié notamment en condition lignolytique. Ces transporteurs ont également été clonés afin de vérifier leurs fonctions par complémentation en système hétérologue. Cette étude a permis de mettre en évidence les transporteurs de manganèse putatifs de nombreux organismes fongiques, ainsi que l'absence d'une famille de transporteurs impliquée dans les mouvements de manganèse chez S. cerevisiae / P. chrysosporium is a saprophytic fungus able to degrade many xenobiotics which makes it particularly attractive for applications in bioremediation. Several publications highlight the importance of metal homeostasis in the production of lignolytics enzymes. Indeed the presence of manganese is required for the production of manganese peroxidase. Conversely, deficiency allows the production of lignins peroxidases. Characterization of transporters involved in the control of manganese homeostasis has been only researched in the model S. cerevisiae. Analysis of putative manganese transporters of 26 fungal species representing 20 orders of fungus was used to form a repertory of 281 transporters of manganese. Phylogenetic analysis allowed to highlight that duplication process, but also deletion, had occurred particularly in S. cerevisiae. However this one is devoid of transporters belonging to the manganese Cation Diffusion Facilitator. Eleven transporters belonging to gene families in which manganese transporters have been found were identified in the P. chrysosporium?s genome. Expression level of these genes was examined particularly in ligninolytic condition. Transporters have also been cloned in order to verify their functions by complementation in heterologous system. This study allowed to identify putative manganese transporters of numerous fungal organisms and the lack of a transporters family involved in the manganese transport in S. cerevisiae

De nombreux insectes vivent en association avec des endosymbiotes se transmettant de mère à descendants. Du point de vue de leurs hôtes, certains de ces symbiotes sont obligatoires tandis que d'autres sont facultatifs. Alors qu'elle appartient le plus souvent à cette deuxième catégorie, la bactérie intracellulaire Wolbachia est devenue obligatoire chez certains de ses hôtes. C'est notamment le cas chez deux hyménoptères parasitoïdes de drosophiles du genre Asobara. Chez A. tabida, il a été montré que Wolbachia était nécessaire à la production d'œufs viables et que le défaut d'ovogenèse chez les femelles privées de leur symbiote est associé à une perturbation de leur homéostasie oxydative. Nous avons par conséquent étudié l'impact de composés antioxydant et pro-oxydant sur les traits d'histoire de vie de l'hôte et la densité symbiotique, afin de déterminer dans quelle mesure l'homéostasie oxydative pourrait être impliquée dans la coévolution entre Wolbachia et son hôte, au point de conduire à la dépendance de ce dernier. Chez certaines populations d'A. japonica, la coévolution avec Wolbachia induisant de la parthénogenèse thélytoque a entraîné la perte de la capacité des femelles à se reproduire sexuellement. Nous avons recherché les bases mécanistiques de cette perte de traits en comparant les transcriptomes et les profils d'hydrocarbures cuticulaires – des molécules qui peuvent notamment jouer le rôle de phéromones sexuelles – de femelles sexuées et asexuées / Many insects live in association with maternally transmitted endosymbiont. From their host point of view, some of those symbionts are obligatory, whereas others are facultative. Although it usually belongs to this second category, the intracellular bacterium Wolbachia has become obligatory in some of its hosts. This is notably the case in two drosophila parasitoid of the genus Asobara (Hymenoptera). It has been shown that Wolbachia was necessary for egg production in A. tabida, and that the failure of oogenesis in females cured of their symbiont is associated with a perturbation of their oxidative homeostasis. We therefore studied the impact of antioxidant and pro-oxidant compounds on the host life-history traits and the symbiotic density to determine the extent to which the oxidative homeostasis could be involved in host–Wolbachia coevolution, and in the evolution of the dependence of the host to its symbiont. In some populations of A. japonica, the coevolution with a thelytoky-inducing Wolbachia led to the loss of the females’ ability to sexually reproduce. We researched the mechanistic bases of this loss of traits by comparing the transcriptomes and the cuticular hydrocarbons – molecules that can play the role of sex pheromones – of sexual and asexual females

Les cellules T régulatrices Foxp3+ (Treg) représentent une sous-population T CD4 cruciale pour le maintient de l'immuno-tolerance. Mieux comprendre la biologie des Treg, leur hétérogénéité, leur développement, leur mécanisme d’action et les facteurs assurant leur survie en périphérie reste un objectif majeur. L'objectif de ce travail de thèse était de mieux définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de l’homéostasie Treg et d’évaluer l’éventuelle contribution des perturbations de l’homéostasie Treg en pathologie humaine.Dans la première partie de ce travail de thèse nous avons essayé de finalement définir dans le modèle murin le rôle joué par l'IL-7 dans le contrôle de l’homéostasie Treg. Nous avons montré que l'expression de CD127, la chaîne alpha du récepteur à l'IL-7, est finement régulée à la surface des Treg et qu'elle dépend de leur activation ainsi que de leur localisation tissulaire. Nous avons démontré que l’expression de CD127 par les Treg activées est fonctionnelle, identifiant ces cellules comme cibles potentiels de l'IL-7. En utilisant des modèles murins présentant une altération de la voie de signalisation IL-7/IL-7R et des modèles de transfert adoptif, nous avons obtenu une démonstration définitive du rôle direct de l'IL-7 dans la régulation du nombre de cellules Treg. Enfin, nous avons démontré que la signalisation IL-7 optimise la capacité de ces cellules de réagir à l'IL-2, une cytokine importante dans la régulation de l’homéostasie Treg. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étudié l’homéostasie Treg dans le contexte de l'infection par le VIH. Cette étude a bénéficié de l’accès à des patients au cours de la primo infection et des HIV contrôleurs. Nous avons montré que les Treg effecteurs plus que les Treg naïves sont affectés par l'infection par le VIH. De plus, nous avons montré que le nombre des effecteurs Treg corrélant inversement avec les réponses T CD8 spécifiques, offrant une preuve ex vivo de l'implication des Treg dans l'immunité anti-VIH. / Regulatory T cells (Treg) represent a crucial CD4 T cells subset involved in maintenance of immune-tolerance. Since their first description important efforts have been undertaken to better understand their biology, their development and their mechanisms of action. However, little is known about factors controlling Treg peripheral homeostasis. The aim of this thesis work was to better define mechanisms involved in governing Treg homeostasis and to investigate the eventual contribution of perturbation of Treg homeostasis in human disease. In the first part of this thesis work we tried to define in the murine system the role played by IL-7 in governing Treg homeostasis. We showed that Treg surface expression of CD127, the IL-7 receptor alpha chain, is finely regulated as it depends on their activation as well as on their tissue localization. More importantly, we demonstrated that Treg do express functional levels of CD127, identifying these cells as potential target of IL-7. Using both genetically modified murine models of altered IL-7 signaling and adoptive transfer models, we obtained definitive evidence for a direct role of IL-7 in governing Treg cell numbers. Finally, we demonstrated that IL-7 signaling in Treg optimizes their capacity to react to IL-2 an important cytokine regulating Treg homeostasis. In the second part of this work we investigated Treg homeostasis in the context of HIV infection. Employing for the first time in HIV infection a novel consensus Treg identification strategy and applying it to different groups of HIV infected patients, including primary infected patients and HIV controllers, we showed that HIV infection is characterized by an early and long lasting alteration of Treg homeostasis. In particular we demonstrated that effector rather than naive Treg are affected by HIV infection. Moreover, we showed that effector Treg numbers inversely correlated with HIV specific CD8 T cells responses, providing ex vivo evidence of Treg involvement in HIV immunity.