Chez la majorité des être vivants des systèmes d’horloge circadiennes (=environ 24h) se sont développés afin d’anticiper les variations journalière de l’environnement. Ces horloges endogènes reposent sur des oscillateurs moléculaires régulant l’expression circadienne de nombreux gènes. Récemment il a pu être montré que des régulations post-transcriptionnelles jouaient un rôle majeur dans la rythmicité de nombreux gènes.Dans la lignée cellulaire hypophysaire GH4C1, nous avons étudié un mécanisme post-transcriptionnel impliquant des corps nucléaires appelés paraspeckles. L’élément principal des paraspeckles est le long ARN non codant (lncRNA) Neat1 auquel s’associe des protéines de liaison aux ARNs. Il a été montré que les paraspeckles ont la capacité de retenir dans le noyau des ARNs, en particulier ceux qui présentent des motifs IRAlu dans leur région 3’ non codante. Nous avons montré que dans les GH4C1, les paraspeckles se forment avec une rythmicité circadienne. Grâce à la mise au point d’une méthode dite de RNA pull-down, permettant l’étude des cibles ARNs d’un lncRNA, nous avons montré que les paraspeckles s’associent et induisent la rétention nucléaire circadienne d’ARNs hypophysaires. Chez ces ARNs nous avons montré l’absence de motifs IRAlu. L’étude d’ARN cibles des paraspeckles a montré que la reconnaissance par les paraspeckles pouvait se faire par des motifs localisés hors de la région 3’ non codante, et que plusieurs séquences dans un même ARN pouvaient participer à la liaison aux paraspeckles.Cette étude nous a donc permis d’identifier un nouveau mécanisme post-transcriptionnel régulant l’expression circadienne de gènes dans les cellules hypophysaires. / Most living organisms have developed circadian (=close to 24h) clock to face daily changes in their environment. Those clocks rely on molecular oscillators to drive the circadian expression of many genes. In the pituitary cell line GH4C1, we studied a post-transcriptional mechanism involving nuclear bodies called paraspeckles. Paraspeckles main element is the long non-coding RNA Neat1 to which several RNA binding proteins are associated. Paraspeckles have been shown to retain RNAs in the nucleus, in particular RNAs that display an IRAlu element in their 3’ translated region (3’UTR).In GH4C1, we showed that paraspeckles display a circadian rhythm of formation. We created the RNA pull-down method, which allows to purify a lncRNA with all its RNA targets, This allowed us to demonstrate that paraspeckles induce the circadian nuclear retention of several endogenous RNAs. Finally, we showed the absence of IRAlu elements in those RNAs. The study of tree target RNAs of paraspeckles showed that elements localized out of the 3’UTR could be involved in the recognition by paraspeckles, but also that several elements could be necessary to induce the RNA retention by paraspeckles.To conclude, this study allowed us to identify a new post-transcriptional mechanism regulating the circadian expression of pituitary genes.

Cette thèse regroupe une série de travaux concernant la structure et la dynamique des réseaux génétiques. Nous proposons tout d'abord une méthode de conception de réseaux génétiques par évolution in silico. Cette procédure vise à concevoir des motifs réalisant une fonction donnée sans aucune contrainte sur leurs structures a priori. L'algorithme a permis de trouver de nombreux motifs originaux et connus. Une comparaison avec les réseaux existants ainsi que diverses extensions possibles du champ d'application de l'algorithme sont proposées. Nous étudions dans une seconde partie les propriétés d'un motif fréquemment trouvé par cet algorithme et sur représenté dans les réseaux naturels. Ce module de rétroaction mixte (``Mixed Feedback Loop'' ou MFL) est constitué de deux protéines A et B, la protéine A régulant la transcription du gène b, les deux protéines formant un dimère inactif. Une analyse mathématique détaillée de ce module est proposée. En particulier, nous montrons que ce module peut se comporter soit comme un commutateur génétique bistable, soit comme un oscillateur. Un diagramme de phase ainsi qu'une description mathématique précise du cycle de l'oscillateur sont dérivés analytiquement. Enfin, dans une troisième partie, nous nous intéressons plus particulièrement à des exemples biologiques d'oscillateurs génétiques : les horloges circadiennes. Les propriétés générales de ces oscillateurs sont rappelées et un modèle pour l'horloge circadienne de Neurospora crassa, basé sur le réseau MFL, est proposé. En particulier, nous montrons l'importance d'une seconde boucle de rétroaction pour la robustesse des oscillations face à la variation des paramètres.

Les horloges circadiennes permettent aux organismes de synchroniser leurs processus physiologiques avec les variations périodiques de leur environnement telles que le cycle jour-nuit ou les cycles de prise alimentaire . Il n'est donc pas étonnant que les horloges périphériques des mammifères soient sensibles aux signaux de nourriture et soient capables d'ajuster les processus métaboliques (stockage et utilisation des ressources énergétiques) en fonction du status nutritionnel de la cellule. Or, notre style de vie moderne est caractérisé par une grande flexibilité au niveau des comportements alimentaire (heure des repas variable, grignotage, alimentation grasse,...) et cela est corrélé avec une forte augmentation de l'incidence des maladies métaboliques accompagnée de dérèglements de l'horloge. En particulier, les régimes high-fat entrainant de l'obésité sont associés à une importante perte d'amplitude des gènes d'horloge mais les mécanismes sous-jascents restent peu compris. Afin d'étudier ces questions, nous avons construit un modèle mathématique décrivant le couplage entre l'horloge du foie et les senseurs métaboliques SIRT1 et AMPK. Notre modèle reproduit précisément les données d'expression des principaux gènes d'horloge ainsi que l'effet d'une dérégulation de SIRT1 ou de l'AMPK. Dans ce modèle, l'activité de l'AMPK est considérée comme une mesure directe de l'alternance entre prise alimentaire et jeûne. Pour cette raison, nous nous sommes intéressés à l'effet de perturbations du rythme d'AMPK sur l'expression des gènes d'horloge. Le modèle montre qu'un amortissement du rythme d'AMPK donne lieu à une forte baisse d'amplitude dans l'expression des principaux gènes d'horloge et des niveaux de NAD+ similaire à ce qui est observé en régime high fat (ad libitum). Cela suggère fortement que les dérèglements de l'horloge observés dans ces conditions peuvent en bonne partie être expliqués par l'amortissement de l'activité de l'AMPK.Par ailleurs, des résultats expérimentaux récents (Hatori 2012) suggèrent une corrélation entre restauration de l'amplitude des gènes d'horloge et protection contre l'obésité en régime high fat. Le modèle permet de simuler l'administration pharmacologique d'un agoniste de l'horloge et montre que , suite un amortissement du rythme d'AMPK, l''amplitude des gènes d'horloge peut être restaurée mais uniquement si l'agoniste est administré à un moment bien précis de la journée. / To anticipate daily changes in their environment, most living organisms have evolved a circadian clock, which is synchronized to the diurnal cycle and orchestrates numerous biological functions. At organismal level, daylight is the main signal driving the clock. In multicellular organisms, however, clocks in peripheral organs respond to other cues. For example, the liver clock is primarily synchronized by fasting/feeding cycles and variations in the cellular metabolic state, as reflected by the NAD+/NADH and ATP/AMP ratios. To better understand the entrainment of peripheral circadian clocks by metabolic cycles, we have constructed a mathematical model of the mammalian circadian clock incorporating the metabolic sensors SIRT1 and AMPK. This model reproduces accurately experimental clock gene expression data from mouse liver in vivo and predicts correctly the effect of SIRT1 or AMPK loss-of-function. We used our mathematical model to investigate the response of the liver clock to various temporal patterns of AMPK activation, mimicking the effect of a normal diet, of fasting and of a high-fat diet feeding. Our results predict significant changes in clock gene expression and NAD+ time profiles between these situations. They suggest that the night peak in NAD+ level is due to circadian rhythms in NAMPT expression, while the day peak results from transient AMPK activation. Finally, we find that the loss of amplitude in expression rhythms observed when AMPK is depressed may be pharmacologically rescued using a timed REV-ERB agonist administration, suggesting strategies to fight against high fat diet-induced obesity.

La séquence des événements moléculaires engendrés par des perturbations de signaux externes qui peuvent affecter les horloges circadiennes, et générer des pathologies restait peu connue. Durant ma thèse, j’ai démontré au niveau moléculaire, comment déplacer l’horaire de l'alimentation chez la souris de la phase active à la phase de repos, altère le métabolisme à la suite d’une hypoinsulinémie durant la phase active, ce qui provoque une activation de PPARα qui reprogramme le métabolisme et l'expression de RevErbα et qui de ce fait décale l’horloge de 12h dans les tissus périphériques. Notamment, l’absence de PPARα dans le noyau suprachiasmatique empêche le décalage de l’horloge centrale. Ainsi, les phases d’activité et de repos contrôlées par l’horloge centrale ne sont plus alignées avec l'expression des gènes contrôlée par les horloges périphériques. Ce non-alignement crée un syndrome métabolique similaire à celui observé chez des individus soumis à des horaires de travail décalés. / The sequence of molecular events through which alterations in externals cues may impinge on circadian clocks, and generate pathologies, was mostly unknown. During my thesis work, I have molecularly deciphered, how switching feeding in mice, from the “active” to the "rest" phase [Restricted Feeding (RF)] , alters the metabolism through hypoinsulinemia during the “active” phase, leading to increased PPARα activity, thereby reprograming both metabolism and RevErbα expression and leads to a 12h circadian clock-shift in peripheral tissues.Most notably, the lack of PPARα expression in the suprachiasmatic nuclei (SCN) prevents a shift of the central clock. Therefore, the “active” and “rest” phases controlled by the SCN clock and gene expression controlled by the peripheral circadian clocks are misaligned. Most interestingly, this misalignment generates a metabolic syndrome-like pathology, similar to that associated with shiftwork schedules.

Les rythmes circadiens contrôlent de nombreux aspects de la physiologie chez les mammifères. Parmi ces processus physiologiques, les horloges circadiennes contrôlent entre autres la réponse immunitaire innée et adaptative. Depuis des décennies, de nombreuses études ont commencé à couvrir ce sujet. Cependant, le contrôle circadien de la réponse adaptative reste peu étudié. Dans le cadre de ce projet de recherche de doctorat, nous avons exploré le rôle des rythmes circadiens dans la réponse des lymphocytes T CD8 à la présentation antigénique par des cellules dendritiques. Des travaux du laboratoire publiés par Erin E. Fortier et al. ont mis en évidence une différence jour/nuit dans l’expansion des lymphocytes T CD8 dont le récepteur T (TCR) est spécifique au complexe KbOVA exprimé par les cellules dendritiques ainsi que dans le nombre de lymphocytes T CD8 CD44hi IFN+ spécifiques pour l’antigène de l’ovalbumine (OVA)1. En effet, la réponse des lymphocytes T CD8 est plus importante après une vaccination faite en milieu de jour (zeitgeber time (ZT) 6) par rapport à une vaccination faite en milieu de nuit (ZT18). Cependant, ces travaux de recherche n’ont pas démontré le rôle des horloges circadiennes dans le rythme de réponse des lymphocytes T CD8 à la présentation antigénique. Mes travaux de recherche de doctorat ont dans un premier temps confirmé l’implication des horloges circadiennes dans le rythme de réponse des lymphocytes T CD8 à la présentation antigénique. Nous avons ensuite démontré la contribution des horloges circadiennes des cellules dendritiques ainsi que le rôle essentiel des horloges circadiennes des lymphocytes T CD8 dans ce rythme de réponse. De plus, nous avons montré que ce rythme avait un impact sur la capacité des lymphocytes T CD8 à contrôler une infection bactérienne (Listeria monocytogenes). En effet, les variations jour/nuit de la charge bactérienne dans la rate et le foie des souris de type sauvage étaient abolies dans les souris déficientes pour le gène des horloges circadiennes Bmal1 dans les lymphocytes T CD8. Dans un second temps, nous avons mis en évidence suite à l’analyse du transcriptome des lymphocytes T CD8 de souris naïves collectés toutes les 4 heures sur 48 heures que ces cellules sont plus enclines à être activées le jour et à l’opposé plus enclines à être inhibées la nuit. Ces résultats corrèlent avec le rythme de réponse des lymphocytes T CD8 à la vaccination. Dans un dernier temps, nous avons confirmé que le rythme de réponse des lymphocytes T CD8 à la présentation antigénique agissait de manière précoce dans l’activation de ces cellules. Pour cela nous avons irradié des souris de type sauvage et nous les avons ensuite reconstituées avec une moelle osseuse contenant 1% de précurseurs de cellules OT-I (lymphocytes T CD8 spécifiques au complexe KbOVA, exprimant la chaîne du TCR V5. Après vaccination de ces souris en milieu de jour subjectif (circadian time (CT) 6) ou en milieu de nuit subjective (CT18), nous avons observé un rythme de la réponse des lymphocytes CD8 pour différents marqueurs impliqués dans la réponse précoce des lymphocytes T CD8, telles que CD69, CD5, IRF4, et la phosphorylation de S6 (marqueur de l’activité de mTOR) et de AKT. L’ensemble des recherches de mon doctorat ont permis de mettre en évidence un tout nouveau mécanisme impliquant les horloges circadiennes dans la réponse des lymphocytes T CD8 en réponse à une vaccination. Une meilleure compréhension du fonctionnement des horloges circadiennes dans la réponse immunitaire permettra de mettre en place des nouveaux traitements personnalisés en fonction du type d’infection et du type de maladie, délivré à un certain moment de la journée dans le but d’améliorer l’efficacité tout en réduisant les effets secondaires. / Circadian rhythms control various aspects of the physiology in mammals. Among these processes, circadian clocks control the innate and the adaptive immune responses. Since few decades, numerous studies started to uncover the role of the circadian system in the immune response. However, the circadian control of the adaptive immune response remains poorly studied. My PhD work focused on the circadian control of the CD8 T cell response to vaccination by dendritic cells. Erin E. Fortier et al. published in The Journal of Immunology that wild type mice vaccinated with antigen presenting cells loaded with the OVA peptide present a day/night variation of the CD8 T cell response after a vaccination done during the middle of the day (zeitgeber time (ZT) 6) compared to a vaccination done during the middle of the night (ZT18)1. Indeed, the proportion of CD8 KbOVA+ cells and the proportion of CD8 CD44hi IFN+ T cells were higher during the middle of the day than the middle of the night. However, this work showed a diurnal but not a circadian rhythm, that remained to be confirmed. The first part of my PhD research confirmed a role of the circadian system in the rhythm of the CD8 T cell response to vaccination. We showed a contribution of the dendritic cell clock as well as an essential role of the CD8 T cell clock. Moreover, this rhythm impacts the ability to control an infectious challenge as shown by a circadian variation in bacterial load (Listeria monocytogenes) in wild type but not in mice lacking clock in mature CD8 T cells. The second part of my research focused on the analysis of the transcriptome of CD8 T cells from naive mice collected every 4 hours over 48 hours. We showed that CD8 T cells are more prone to be activated during the day and at the opposite are more prone to be inhibited during the night. These results are correlated with the rhythm of the CD8 T cell response to vaccination. Finally, during the third part of my PhD, we confirmed that the rhythm of the CD8 T cell response to antigen presentation was acting at the early stage of the CD8 T cell activation. We used wild type mice reconstituted with bone marrow cells containing 1% of OT-I precursor cells (CD8 T cells restricted for the KbOVA complex, expressing the receptor chain of the TCR for the OVA peptide, V5) and vaccinate these mice during the middle of the subjective day (CT6) or during the middle of the subjective night (CT18). At the early stage of the CD8 T cell response to vaccination, we showed a higher expression of several activation markers after a vaccination done during the middle of the day than during the middle of the night, such as CD5, CD69, IRF4 and the phosphorylation of S6 (marker of the mTOR activity) and AKT. Altogether, my PhD work highlights a new mechanism involving the circadian system in the control of the immune response. A better understanding of how circadian clocks act on the immune response will allow implementing new treatment strategies in order to increase their efficacy as well as to decrease side effects.