La chronothérapie des cancers administre les médicaments anticancéreux à des moments précis de la journée afin d’en optimiser la tolérance et l’efficacité. Cependant le système circadien qui règle sur 24 h la prolifération et le métabolisme cellulaires peut être altéré par un décalage horaire chronique, la mutation d’un gène de l’horloge, ou un traitement, favorisant ainsi la survenue de pathologies métaboliques, comportementales ou malignes. La disparité des profils circadiens de température corporelle des patients cancéreux ainsi que leurs modifications sous chimiothérapie fournit les bases d’une personnalisation de la chronothérapeutique. La capacité d’un cycle thermique à entraîner sur 24 h l’horloge circadienne de cellules d’hépatocarcinome en culture indique que ce biomarqueur est aussi un effecteur de la synchronisation des cellules cancéreuses, et constitue un repère circadien pour la chronothérapeutique in vitro et in vivo. / Chronotherapy delivers anticancer drugs at specific times of the day to optimize tolerability and efficacy. However, the circadian system that controls cell proliferation and metabolism over 24 h, can be altered by a chronic jet lag, a clock gene mutation, or a xeniobiotic treatment, thus favoring the occurrence of metabolic, behavioral or malignancies. The disparity of circadian body temperature patterns of cancer patients as well as its disruption during the treatment provides a clincher for chronotherapy personalization. The ability of a thermal cycle to drive the circadian clock in cultured hepatocarcinoma cells of 24 h indicates that this biomarker is also an effector of the synchronization of cancer cells, as well as a marker for the circadian in vitro and in vivo chronotherapeutic.

L'agence internationale de recherche sur le cancer (IARC) a indiqué que le travail posté qui provoquait une disruption circadienne était probablement cancérogène chez l'Homme. Ainsi, une perturbation expérimentale sévère du système circadien accélère-t elle la progression tumorale et pourrait favoriser la cancérogénèse. Durant ma thèse, j'ai démontré que la disruption circadienne résultant d'une mutation ou d'une mise au silence des gènes de l'horloge Per ou Cry accélérait la cancérogénèse hépatique induite par la diéthylnitrosamine, en favorisant l'instabilité génomique, la prolifération cellulaire, et l'inflammation. J'ai montré que l'alimentation programmée ou la dexaméthasone modifiaient la régulation circadienne de ces trois caractéristiques du cancer, suggérant ainsi qu'une intervention thérapeutique ciblant le système circadien pourrait prévenir la cancérogénèse. J'ai ainsi mis en évidence le contrôle circadien de trois mécanismes moléculaires de la cancérogenèse précoce et proposé deux interventions ciblant l'horloge circadienne dans un but de prévention de la cancérogenèse.

La leucine zipper de la rétine neurale (Nrl) joue un rôle central dans le développement et l'homéostasie des bâtonnets en activant I'expression de gènes tels que le photopigment Rhodopsine. Nrl est aussi associé à la Rétinite Pigmentaire, faisant ainsi de ce gène un modèle intéressant pour la compréhension des programmes contrôlant le développement et I'homéostasie des photorécepteurs.Ce travail de thèse vise à caractériser les mécanismes régulateurs de I'expression de Nr/ au cours du développement rétinien. L'électroporation in vivo de vecteurs rapporteurs dans des rétines de souris en développement, a révélé des séquences minimales de promoteur Nr/ nécessaires à une expression spécifique dans les photorécepteurs. Nous avons identifié RORI3 comme facteur requis pour cette expression, et montré que les facteurs OTX2, CRX et CREB s'accrochent aussi directement à des régions régulatrices particulières du promoteur. Nous avons construit un virus adéno-associé (AAV) contenant un promoteur minimal Nrl de 0.3 kb, et montré qu'il est adapté à la délivrance de gène spécifiquement dans les photorécepteurs.Nous avons montré que NRL, CRX et NR2E3, les régulateurs principaux de la Rhodopsine, ont une expression rythmique au cours de 24 h, et que l'expression cyclique de Nr/ peut être due à l'activation par RORp, un composant l'horloge circadienne. Enfin, nous avons identifié un nouveau facteur de transcription, NonO, au niveau de la région du promoteur proximal de la Rhodopsine, qui en combinaison avec NRL et CRX, active le promoteur de la Rhodopsine. L'invalidation de NonO au cours du développement rétinien a prouvé son implication pour le développement et I'homéostasie des bâtonnets. / The Neural Retina Leucine zipper transcription factor (Nrl) plays a central role in rod photoreceptor development and homeostasis, by activating the expression of rod-specific genes such as the visual photopigment, Rhodopsin. Nrlhave been also associated with Retinitis Pigmentosa, making this gene an interesting model for understanding genetic programs controlling photoreceptors development and homeostasis.This thesis work aimed at characterizing regulatory mechanisms of Nr/ expression during retinal development. Using in vivo electroporation of reporter vectors carrying distinct portions of Nrlpromoter into neonatal mouse retina, we identified minimal sequences required for expression photoreceptors-specific expression. We identified RORI3 as being required for this expression and showed that OTX2, CRX and CREB transcription factors also directly bind to the defined regulatory regions.We designed a novel adeno-associated virus (AAV) vector containing a minimal Nrl promoter fragment of 0.3 kb, and showed that it is well-suited for gene delivery specifically into photoreceptors.We also showed that NRL, CRX, and NR2E3, the main transcriptional regulators of Rhodopsin, display rhythmic expression over 24 h. and that Nrl might undergo cyclic activation by RORB which is part of the photoreceptor circadian clock. Finally, we investigated the role of a novel Rhodopsin transcriptional regulator, NonO, identified in theRhodopsin proximal promoter region. We demonstrated that NonO co-activates Rhodopsin promoter along with NRL and CRX. By knocking down this gene during retinal development we provided evidence for its role in rod development and homeostasis.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

Les rythmes biologiques constituent une propriété fondamentale de la vie, permettant aux organismes d’appréhender leur environnement et d’en anticiper les changements. Ces rythmes possèdent une double origine : une horloge moléculaire génère ces rythmes, qui sont ensuite synchronisés par des facteurs environnementaux. Si les organismes terrestres sont essentiellement soumis au rythme d’alternance jour/nuit, les espèces marines côtières et estuariennes occupent un biotope plus changeant encore : ils sont en effet également confrontés au rythme des marées. Pourtant, leurs rythmes biologiques sont à ce jour encore mal connus et les mécanismes moléculaires de(s) (l’) horloge(s) sous-jacente(s) ne sont pas caractérisés. Parallèlement, les efflorescences d’algues toxiques, en constante augmentation depuis 1970, constituent un problème écologique majeur, tant local qu’international. Les objectifs du présent travail consistaient à caractériser les rythmes de référence de l’huître Crassostrea gigas et d’en déterminer l’origine (moléculaire, zeitgebers). Il s’agissait ensuite d’étudier les perturbations potentielles de ces rythmes par l’algue toxique Alexandrium minutum, qui produit des toxines paralytiques et est régulièrement présente dans de nombreuses mers du globe. Les travaux réalisés ont permis de mettre en évidence l’existence d’un rythme d’activité valvaire circadien, faible et dual, et n’a pas permis de supporter l’hypothèse de l’existence d’une horloge circatidale. Nous avons formulé l’hypothèse que, chez C. gigas, le rythme tidal est soit d’origine exogène, soit produit par l’horloge circadienne synchronisée par les marées. Les analyses moléculaires réalisées sur le gène circadien cryptochrome dans le muscle adducteur - effecteur du mouvement des valves - ont montré que ce gène oscille à une fréquence tidale dans le muscle strié, favorisant notre seconde hypothèse. Par ailleurs, au-delà des gènes de l’horloge, l’algue A. minutum réprime l’expression de gènes impliqués dans différentes voies métaboliques importantes : la lutte contre le stress oxydant (cat, gpx), la respiration mitochondriale (cox1), l’immunité (ilk), la détoxification (mdr). Finalement nos analyses ont permis de mettre en évidence un impact génotoxique d’A. minutum chez C. gigas. / Biological rhythms constitute a fundamental property of life, allowing organisms to anticipate and adapt to their changing environment. These rhythms present a double origin: they are generated by a molecular clock and synchronized by environmental cues. Whereas terrestrial organisms are mainly subjected to day/night alternation, coastal and estuarine marine species inhabit an even more cycling biotope. They are indeed also submitted to tides. Nevertheless, biological rhythms in marine species are still unrecognized and molecular mechanisms of the underlying oscillator(s) are to date not determined. At the same time, toxic algae blooms are increasing since the 1970s and represent a major ecological concern, both at local and international levels. An objective of the present work was the characterization of biological rhythms in the oyster Crassotrea gigas and of their origin (molecular mechanism, zeitgebers). Furthermore, the work was designed to study the potential disruption of these rhythms by the toxic algal of worldwide distribution Alexandrium minutum, which produces paralytic toxins. The present results show the existence of a weak and dual circadian rhythm of valve activity in the oyster, and do not provide evidence for the existence of any circatidal clock. We suggested that, in the oyster C. gigas, the tidal rhythm could either be generated exogenously or endogenously by the tidally-synchronized circadian clock. Molecular analyses performed on the circadian gene cryptochrome in the adductor muscle of oyster, the effector of valve movements, revealed that Cgcry oscillates at tidal frequency in the striated muscle. This result supports our second hypothesis. Furthermore, A. minutum represses the expression of genes involved in key metabolic pathways: struggle against oxidative stress (cat, gpx), mitochondrial respiration (cox1), immunity (ilk), detoxification (mdr). Moreover, A. minutum impacts C. gigas at DNA level, being thus genotoxic.

Les mécanismes moléculaires contrôlant les rythmes circadiens sont conservés parmi les organismes des différents règnes (plantes, animaux et champignons). Ils se composent de boucles de rétroaction où un complexe d’activation transcriptionnelle, l’hétérodimère CLK/CYC chez la drosophile, entraîne l'expression des répresseurs de son activité, les gènes et protéines PER et TIM chez la mouche. De manière importante, la période de l'oscillateur dépend en grande partie par des mécanismes post-transcriptionnels qui régulent l’accumulation et l'activité des composantes positifs et négatifs de la boucle. Bien que de nombreux partenaires d'interaction modifiant les composants d'horloge de base ont déjà pu être isolés, le schéma reste encore incomplet. Dans le cadre de la recherche de nouveaux composants de cette horloge, nous avons réalisé un crible comportemental basé sur l'expression ciblée de transgènes ARNi dirigés contre la moitié du génome de Drosophila melanogaster. Cinquante-quatre nouveaux gènes putatifs ont pu être identifiés. Au cours de ce travail, j'ai étudié le rôle de deux d’entre eux, sélectionnés pour les forts défauts comportementaux de l'expression de leur transgène ARNi. Le gène CG12082 de la drosophile est l’orthologue de l’Ubiquitin-specific protéase 5 (USP5) chez l’homme. La dérégulation d’Usp5 retarde les oscillations de la protéine PER dans les neurones d'horloge et allonge la période d'activité locomotrice des mouches. Chez les mouches ARNi Usp5, des formes à haut poids moléculaire des protéines PER et TIM s'accumulent pendant le matin, alors qu’elles sont normalement dégradées chez les contrôles. On a pu montrer que Usp5 participe directement à la dégradation de la protéine PER, indépendamment de TIM. En accord avec le rôle décrit pour l’orthologue humaine, Usp5 serait susceptible de contrôler la dégradation des protéines par son activité de démontage des chaînes libres de polyubiquitine présents dans la cellule, qui peuvent entrer en compétition avec les protéines ubiquitinylées pour la reconnaissance au niveau du protéasome, bloquant leur dégradation. La majorité des travaux ont porté sur un gène isolé au cours de notre crible, Strip, dont les fonctions étaient encore inconnues. Strip interagit avec Cka, une nouvelle sous-unité régulatrice de l’enzyme phosphatase PP2A. La dérégulation à la fois de Strip et/ou de Cka amène à des phénotypes comportementaux de période longue. D’un point de vue moléculaire, des formes hyper-phosphorylées de la protéine CLK s’accumulent dans la matinée quand Cka et/ou Strip sont perturbées. La dérégulation des activités générales de PP2A produit également une hyper-phosphorylation de CLK le matin, indiquant que, grâce à Cka/Strip, les complexes PP2A contrôlent la déphosphorylation de CLK à la fin du cycle. Il est connu que les formes hyper-phosphorylés de CLK sont transcriptionnellement inactives. En effet, la transcription des gènes tim et vrille, cibles de CLK, est fortement réduite dans les mouches ARNi Cka. En plus de PP2A/Cka, des complexes PP2A contenant une autre sous-unité régulatrice, Wdb, ont été montré pour déstabiliser CLK en culture des cellules (Kim et Edery, 2006). Nous montrons que la dérégulation de Wdb affecte la stabilité du CLK également dans la mouche adulte, sans toutefois induire aucun effet apparent sur sa phosphorylation. En conclusion, deux complexes PP2A différents agissent sur la protéine CLK : le complexe PP2A/Cka/Strip contrôle la déphosphorylation de CLK et sa réactivation, tandis que PP2A/Wdb affecte la stabilité de CLK indépendamment ou après PP2A/Cka. Ces résultats enrichissent l’étude de la régulation post-traductionnelle de la protéine CLK, qui était largement mal connue.Pour conclure, cette étude a permis de décrire deux nouveaux composants de la boucle moléculaire qui contrôle les rythmes circadiens chez la mouche du vinaigre, Drosophila melanogaster. / The molecular mechanism underlying circadian rhythms is conserved among organisms and consists of feedback loops where a transcriptional activating complex (the CLOCK (CLK)/CYCLE (CYC) heterodimer in Drosophila) drives the expression of the repressors of its activity (the period (per) and timeless (tim) genes and proteins in Drosophila). Importantly, the pace of the oscillator largely depends on post-transcriptional mechanisms that regulate the accumulation and activity of both the positive and negative components of the loop. A number of interacting partners that modify core clock components have already been isolated, but more are expected. Looking for new clock components, we set up a behavioral screen based on targeted expression of RNAi transgenes directed to half of the Drosophila genome. 54 putative new clock genes have been identified. Among them, some were independently reported to function within the fruit fly molecular clock, thus validating the screen. In this work, I investigated the circadian role of additional “positive” genes, selected for the strong behavioral defect induced by the expression of the corresponding RNAi. The CG12082 gene codes for the fruit fly ortholog of the human Ubiquitin-specific protease 5 (USP5). Downregulation of USP5 in clock cells lengthens the period of locomotor activity of flies as well as PER protein oscillations in clock neurons. High molecular weight forms of PER and TIM proteins accumulate during the morning after USP5 knockdown, while these forms are degraded in controls. In addition, TIM is not stabilized in the absence of PER, while PER still accumulate in the absence of TIM. Therefore, USP5 directly participates in the degradation of the PER protein and, later, of the TIM protein at the end of the cycle. Being a deubiquitinylase enzyme, USP5 may directly deubiquitinate PER. However, accordingly to the role described for the human ortholog, USP5 likely controls protein degradation through the disassembling of the unanchored polyubiquitin chains present in the cell that could compete with ubiquitinated-PER for proteasome recognition and subsequent breakdown.The majority of the work has focused on an unknown gene isolated in the screen, that, accordingly to the human homolog, we named STRIP. We show that STRIP interacts with Connector of Kinase to AP-1 (CKA), a novel regulatory subunit for the PP2A phosphatase holoenzyme, both in insect S2 cells and in fly head extracts. Downregulation of both STRIP and/or CKA causes long-period behavioral phenotypes and high molecular weight forms of the CLK protein to accumulate in the morning. Perturbation of general PP2A activities also produces hyper-phosphorylated CLK in the morning indicating that, through CKA/STRIP, PP2A complexes controls CLK dephosphorylation at the end of the cycle. Hyper-phosphorylated CLK forms are transcriptionally inactive. Accordingly, transcription of the tim and vrille (vri) CLK targets is strongly reduced in Cka-RNAi fly head extracts. PP2A complexes containing the Widerborst (WDB) regulatory subunits were already shown to affect CLK stability in insect S2 cells (Kim and Edery, 2006). We show that WDB downregulation also affects the stability of CLK in fly head extracts, but has no apparent effects on CLK phosphorylation. Therefore, we could describe two different PP2A complexes acting on the CLK protein: PP2A/CKA/STRIP complex controls CLK dephosphorylation and reactivation, while PP2A/WDB affects CLK stability independently or after PP2A/CKA functions. Moreover, STRIP, but not CKA, downregulation affects the stability of PER, indicating that STRIP possesses some functions unrelated to CKA. In conclusion, this work has allowed the isolation of new components of the Drosophila molecular clock. In particular, we give evidence for a double role for the PP2A phosphatase in modulating the activity and stability of the CLK protein, the regulation of which is not well understood yet.

La leucine zipper de la rétine neurale (Nrl) joue un rôle central dans le développement et l'homéostasie des bâtonnets en activant I'expression de gènes tels que le photopigment Rhodopsine. Nrl est aussi associé à la Rétinite Pigmentaire, faisant ainsi de ce gène un modèle intéressant pour la compréhension des programmes contrôlant le développement et I'homéostasie des photorécepteurs.Ce travail de thèse vise à caractériser les mécanismes régulateurs de I'expression de Nr/ au cours du développement rétinien. L'électroporation in vivo de vecteurs rapporteurs dans des rétines de souris en développement, a révélé des séquences minimales de promoteur Nr/ nécessaires à une expression spécifique dans les photorécepteurs. Nous avons identifié RORI3 comme facteur requis pour cette expression, et montré que les facteurs OTX2, CRX et CREB s'accrochent aussi directement à des régions régulatrices particulières du promoteur. Nous avons construit un virus adéno-associé (AAV) contenant un promoteur minimal Nrl de 0.3 kb, et montré qu'il est adapté à la délivrance de gène spécifiquement dans les photorécepteurs.Nous avons montré que NRL, CRX et NR2E3, les régulateurs principaux de la Rhodopsine, ont une expression rythmique au cours de 24 h, et que l'expression cyclique de Nr/ peut être due à l'activation par RORp, un composant l'horloge circadienne. Enfin, nous avons identifié un nouveau facteur de transcription, NonO, au niveau de la région du promoteur proximal de la Rhodopsine, qui en combinaison avec NRL et CRX, active le promoteur de la Rhodopsine. L'invalidation de NonO au cours du développement rétinien a prouvé son implication pour le développement et I'homéostasie des bâtonnets.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in both marine and freshwater environments. They are best known for causing toxic blooms called ‘red-tides’, for their symbiosis with corals, and for their important contribution to carbon fixation in the ocean. On a more molecular level, they are also known for their unique nuclear characteristics, as they generally have huge amount of DNA found in chromosomes that are permanently condensed and packaged into liquid crystalline forms instead of nucleosomes. Nuclear-encoded genes are often present in multiple copies and arranged in tandem, and no putative promoter elements including the conserved TATA box, have yet been observed. The unique organization of dinoflagellate chromatin suggests different strategies may be required to regulate gene expression in these organisms. In this study, I have started to address this problem using the photosynthetic dinoflagellate Lingulodinium polyedrum as a model. L. polyedrum is of particular interest because it shows a number of circadian (daily) rhythms. To date, all circadian changes in gene expression studied are regulated at a translational level. I have used transcriptomic, proteomic and phosphoproteomic approaches along with biochemical studies to provide insight into the gene regulatory mechanisms in dinoflagellates, with particular emphasis on the importance of phosphorylation in the L. polyedrum circadian system. The absence of histone proteins and nucleosomes is a hallmark of the dinoflagellates. Using high throughput RNA-seq technology, I found complete set of sequences encoding the core histones as well as sequences encoding histone-modifying enzymes in L. polyedrum. Thus L. polyedrum expresses conserved histone transcripts, although levels of proteins are still below what can be detected using immunoblotting studies. Using the de novo assembly algorithm the RNA-seq data was used to generate a transcriptome. This transcriptome, a list of genes expressed by L. polyedrum, has been extensively characterized. First, homology based sequence searches were used to classify the transcripts in gene ontology (GO) categories, and this analysis revealed a reduced number of transcription factor types and a surprising predominance of sequences containing a cold shock domain. Alignments of reads from the RNA–seq to genomic copies of L. polyedrum tandem repeat sequences was performed to assess the possibility of polycistronic transcripts, a hypothesis proposed to explain the lack of promoter elements in the intergenic region of the tandem repeat gene sequences. This analysis also showed a surprisingly high conservation of tandemly repeated gene sequences. The transcriptome database was also used to fuel gene identification after protein sequencing by mass spectrometry, and a purified phosphoproteome fraction was found to be particularly amenable to high throughput approaches. A comparison of the phosphoproteome at two different times of day revealed that a major class of proteins whose phosphorylation state varied over time belonged to the RNA binding and translation GO category. The transcriptome was also used to define the spectrum of kinases present in L. polyedrum, which in turn was used to classify the different phosphorylated peptides as potential kinase targets. Predicted peptides of casein kinase 2 (CK2), a kinase known to be involved in the circadian clocks of other eukaryotes, were found to include many RNA binding proteins. To assess the possibility that some of the many cold shock domain proteins identified in the transcriptome might modulate gene expression in L. polyedrum, as has been observed in many other eukaryotic and prokaryotic systems, the cellular response to cold temperatures was examined. Cold temperatures were found to induce rapid encystment, a metabolically inactive cell type whose role is to combat unfavourable environmental conditions. Changes in phosphoproteome profile were found to be the major molecular correlates to cyst formation. Predicted CK2 phosphosites are the most highly reduced class of kinase targets, a finding of interest as measurements of the bioluminescence rhythm confirmed that the clock is stopped in cysts

Le cycle de division cellulaire et l'horloge circadienne sont deux processus fondamentaux de la régulation cellulaire qui génèrent une expression rythmique des gènes et des protéines. Dans les cellules mammifères, les mécanismes qui sous-tendent les interactions entre le cycle cellulaire et l'horloge restent très mal connus. Dans cette thèse, nous étudions ces deux oscillateurs biologiques, à la fois individuellement et en tant que système couplé, pour comprendre et reproduire leurs principales propriétés dynamiques, détecter les composants essentiels du cycle cellulaire et de l'horloge, et identifier les mécanismes de couplage. Chaque oscillateur biologique est modélisé par un système d'équations différentielles ordinaires non linéaires et ses paramètres sont calibrés par rapport à des données expérimentales: le modèle du cycle cellulaire se base sur les modifications post-traductionnelles du complexe Cdk1-CycB et mène à un oscillateur de relaxation dont la dynamique et la période sont contrôlés par les facteurs de croissance; le modèle de l'horloge circadienne reproduit l'oscillation antiphasique BMAL1/PER:CRY et l'adaptation de la durée des états d'activation et répression par rapport à deux signaux d’entrée hormonaux déphasés. Pour analyser les interactions entre les deux oscillateurs nous étudions la synchronisation des deux rythmes pour des régimes de couplage uni- ou bi-directionnels. Les simulations numériques reproduisent les ratios entre les périodes de l'horloge et du cycle cellulaire, tels que 1:1, 3:2 et 5:4. Notre étude suggère des mécanismes pour le ralentissement du cycle cellulaire avec des implications pour la conception de nouvelles chronothérapies. / The cell division cycle and the circadian clock are two fundamental processes of cellular control that generate cyclic patterns of gene activation and protein expression, which tend to be synchronous in healthy cells. In mammalian cells, the mechanisms that govern the interactions between cell cycle and clock are still not well identified. In this thesis we analyze these two biological oscillators, both separately and as a coupled system, to understand and reproduce their main dynamical properties, uncover essential cell cycle and clock components, and identify coupling mechanisms. Each biological oscillator is first modeled by a system of non-linear ordinary differential equations and its parameters calibrated against experimental data: the cell cycle model is based on post-translational modifications of the mitosis promoting factor and results in a relaxation oscillator whose dynamics and period are controlled by growth factor; the circadian clock model is transcription-based, recovers antiphasic BMAL1/PER:CRY oscillation and relates clock phases to metabolic states. This model shows how the relative duration of activating and repressing molecular clock states is adjusted in response to two out-of-phase hormonal inputs. Finally, we explore the interactions between the two oscillators by investigating the control of synchronization under uni- or bi-directional coupling schemes. Simulations of experimental protocols replicate the oscillators’ period-lock response and recover observed clock to cell cycle period ratios such as 1:1, 3:2 and 5:4. Our analysis suggests mechanisms for slowing down the cell cycle with implications for the design of new chronotherapies.

La température ambiante joue un rôle direct dans le fonctionnement et le développement de la plante. L'augmentation des températures ambiantes mondiales pose un défi important aux espèces de plantes sauvages et cultivées. La plupart des espèces de plantes ajustent leur cycle de reproduction et leur développement pour optimiser leur survie et leur forme par temps ambiant élevé (Barnabás et al., 2008; Fitter et Fitter, 2002; Willis et al., 2008). Ces adaptations conduisent généralement à des hypocotyles allongés, à une réduction du nombre de feuilles au moment de la floraison, à une transition accélérée des phases de croissance végétative à reproductive, à une réduction du nombre de graines, à des gousses plus petites et à une diminution de la surface foliaire. Face au changement climatique rapide, en particulier à l'augmentation de la température permissive à la croissance ambiante, il est urgent de régler la thermoréponse des usines pour adapter les installations aux changements climatiques et garantir la production alimentaire future.L'expression de PIF4 est contrôlée par le complexe du soir (EC), un complexe à 3 protéines comprenant ELF3, ELF4 et LUX, en fonction de la température. La CE est capable de réprimer l'expression de PIF4 en se liant à des motifs spécifiques sur le promoteur de PIF4 à une température de croissance ambiante inférieure. Cependant, cette répression de l'expression de PIF4 est éliminée à une température ambiante de croissance plus élevée, ce qui entraîne un vieillissement prématuré des plantes.RésultatsLes trois protéines de la CE ont été produites en utilisant une stratégie d’expression différente, ELF4 et LUX dans E. coli, et ELF3 dans des cellules d’insecte. Les méthodes de purification des protéines et les tampons ont été optimisés pour obtenir des ELF3 et LUX stables. Une chromatographie d'exclusion de taille a été réalisée pour vérifier les états oligomères des protéines. LUX étant la seule protéine de la CE à posséder un domaine de liaison à l'ADN connu, elle a été utilisée pour effectuer des tests de déplacement de la mobilité afin de comprendre l'affinité de liaison de LUX pour ses motifs ADN cibles obtenus à partir de tests de puces de liaison de protéines. D'après les tests de décalage de mobilité, il a été observé que le domaine de liaison à l'ADN (DBD) seul pouvait se lier aux motifs d'ADN de son substrat à des concentrations molaires nano alors qu'une quantité de protéine excédentaire de 10 fois était nécessaire pour que la longueur totale de LUX obtienne la même quantité de liaison. Des pistes de cristallisation à haut débit ont été réalisées pour LUX et LUX-DBD pleine longueur avec deux motifs de liaison différents. Aucun cristal n'a été obtenu pour le LUX complet, alors que des cristaux ont été obtenus pour le LUX DBD avec les deux motifs d'ADN. La structure de LUX DBD en complexe avec ses motifs cibles a été résolue par diffraction aux rayons X. À partir de la structure Crystal, il a été constaté que LUX DBD avait adopté une structure à 3 hélices, la seconde hélice étant responsable de la lecture de la base. Fait intéressant, il a été observé qu'un résidu d'arginine présent au niveau de l'hélice n-terminale servait de pince pour interagir avec le motif ADN cible.En utilisant les tests de mutagenèse dirigée et de décalage de mobilité, il a été confirmé que cette arginine présente à la position 146 de la protéine est essentielle pour déterminer l'affinité. Il a été constaté que l'affinité de liaison était réduite d'un facteur 5 lorsque cet acide aminé était modifié. En outre pour comprendre son effet in planta. Les lignes de lux mutantes ont été complétées par une longueur totale de type sauvage et une version substituée par Arg14Ala de la longueur totale de LUX. Grâce à ces expériences, nous avons pu montrer que la complémentation complète du mutant R146A n’était pas observée, alors que la version de type sauvage était capable de compléter complètement le phénotype du mutant / Ambient temperature plays a direct role in plant functioning and development. Increase in global ambient temperatures poses a significant challenge to wild and cultivated plant species. Most plant species adjust reproductive timing and development to optimize survival and fitness in higher ambient temperatures (Barnabás et al., 2008; Fitter and Fitter, 2002; Willis et al., 2008). These adaptations generally lead to elongated hypocotyls, fewer leaves at time of flowering, accelerated transition from vegetative to reproductive growth phases, fewer seeds, smaller seed pods and decreased leaf area. In the face of rapid climate change, specifically increased ambient growth permissive temperatures, tuning plant thermoresponse is urgently needed to engineer plants for adaptation to climate change and for securing future food production.PIF4 expression is controlled by evening complex (EC), a 3 protein complex comprising of ELF3, ELF4 and LUX, in a temperature dependent manner. The EC is able to repress PIF4 expression by binding to specific motifs at the promoter of PIF4 at lower ambient growth temperature. However this repression of PIF4 expression is removed at higher ambient growth temperature leading to premature ageing of plantsResultsAll three proteins of EC were produced using different expression strategy, ELF4 and LUX in E. coli while ELF3 in insect cells. Protein purification methods and buffers were optimized to obtain stable ELF3 ELF4 and LUX. Size exclusion chromatography was done to verify oligomeric states of the proteins. Since LUX is the only protein in the EC which has known DNA binding domain, it was used for doing mobility shift assays to understand the binding affinity of LUX for its target DNA Motifs which were obtained from protein binding microarrays assays. From the mobility shift assays, it was observed that the DNA binding domain (DBD) alone could bind to its substrate DNA motifs at Nano molar concentrations while 10 fold excesses amount of protein was required for the full length LUX to obtain same amount of binding. High throughput crystallization trails were carried out for full length LUX and LUX- DBD with two different binding motifs. No crystals were obtained for full length LUX while Crystals were obtained for LUX DBD with both the DNA Motifs. Structure for LUX DBD in complex with its target motifs were solved through X-Ray diffraction. Using site directed mutagenesis and Mobility shift assays it was confirmed that this Arginine present at the 146 position of the protein is critical for determining affinity. It was found that the binding affinity was reduced by a factor of 5 when this amino acid was changed. Further to understand its effect in planta.. With this experiments we were able to show that with the R146A mutant full complementation wasn’t observed while the wildtype version was able to completely complement the mutant phenotype.To understand temperature based dynamics of the complex, ELF3, which is the most intrinsically disordered protein of the three proteins that constitute the complex, was studied for structural variation through CD spectroscopy and DLS experiments. From these experiments it was found that ELF3 attains a β-sheet like confirmation at higher temperature while a more globular confirmation at lower temperatures. It was found that this activity of ELF is reversible allowing for flexibility of the whole complex. We found that there were prion like domains in ELF3 protein which were primarily responsible for transition to β-sheet structure at higher temperature.In Order to engineer plants that could survive at higher ambient temperature, we decided to mutate promoter elements of PIF4 through CRISPR/Cas9 to obtain plants that can survive higher temperature.