La méthylation de l'ADN est fortement reprogrammée pendant le développement chez les mammifères, où elle semble jouer un rôle essentiel dans la répression génique et le maintien de l'identité cellulaire. Néanmoins, les cibles de la méthylation de l'ADN, la cinétique d'acquisition et les mécanismes de ciblage au cours du développement sont mal connus. Le premier objectif de ma thèse a donc été d'identifier les cibles de la méthylation de l'ADN pendant l'embryogenèse chez la souris. Sachant que plusieurs études dans les cellules ES ont mis en évidence un lien entre l'histone méthyltransférase G9a et l'établissement de la méthylation de l'ADN, le deuxième objectif de ma thèse a été de tester le rôle de G9a dans l'établissement de la méthylation de l'ADN au cours de l'embryogenèse. Pour cela, j'ai développé une technique d'analyse de la méthylation à l'échelle génomique à partir d'un petit nombre de cellules. Nous avons observé que la méthylation est essentiellement catalysée par DNMT3B et est mise en place principalement pendant l'implantation de l'embryon entre le blastoscyste et l'épiblaste. Pendant cette période, la méthylation cible préférentiellement les gènes de la lignée germinale et est indispensable à leur répression. La méthylation cible aussi des gènes spécifiques de différentes lignées somatiques telles que la lignée hématopoïétique, et peut être effacée ultérieurement pendant la différentiation. De manière surprenante, nous avons identifié des promoteurs de gènes non soumis à l'empreinte qui semblent résister à la reprogrammation de la méthylation de l'ADN et hériter la méthylation des gamètes parentaux. Enfin, nous avons montré que, contrairement à ce que suggèrent les études dans les cellules ES, G9a ne semble pas être indispensable à l'acquisition et au maintien de la méthylation de l'ADN au niveau des promoteurs pendant le développement in vivo. / DNA methylation is an epigenetic mark extensively reprogrammed during mammalian development. It is believed to play essential functions in gene regulation and the maintenance of cellular identity. However, the target genes of DNA methylation and the mechanisms that recruit DNA methylation during development remain poorly understood. The first aim of my PhD project was to identify the target genes of DNA methylation during early mouse development in vivo. In addition, because several studies show that G9a is required for DNA methylation establishment and maintenance during ES cells differentiation, the second aim was to determine whether G9a is required for the establishment of promoter DNA methylation patterns during early development in vivo.To address these questions, I developped a genomics approach to map DNA methylation starting from very small amount of cells. .We observed a major epigenetic switch during implantation at the transition from the blastocyst to the postimplantation epiblast. During this period, DNA methylation is primarily targeted to repress the germline expression program. DNA methylation in the epiblast is also targeted to promoters of lineage-specific genes such as hematopoietic genes, which are subsequently demethylated during terminal differentiation. De novo methylation during early embryogenesis is catalyzed by Dnmt3b, and absence of DNA methylation leads to ectopic gene activation in the embryo. Surprisingly, we identify nonimprinted genes that escape post-fertilization DNA methylation reprogramming and seem to inherit promoter DNA methylation from parental gametes. Finally we show that, unlike what it was shown in ES cells, the absence of G9a in an in vivo context does not have a drastic effect on the maintenance and the establishment of promoter DNA methylation during early development.

Les cellules différenciées peuvent changer de destin cellulaire de manière induite ou naturelle. Afin de comprendre et connaître les acteurs et mécanismes contrôlant les processus de reprogrammation, notre laboratoire étudie le changement d'identité (ou transdifférenciation, Td) naturel d’une cellule épithéliale rectale (nommée Y) en motoneurone (nommé PDA) chez Caenorhabditis elegans. Les travaux préliminaires ont montré qu’il existe une synergie entre les modifications d’histone (jmjd-3.1 et wdr-5.1) et l’ubiquitination (sel-10). SEL-10 est une ubiquitine ligase E3 possédant un domaine Fbox et une répétition de domaines WD40. Dans cette étude, nous avons pu mettre en évidence : i) une implication du domaine Fbox, des indications sur la localisation intracellulaire de SEL-10 et un rôle inattendu du protéasome au sein de la Td. ii) un rôle de SEL-10 dans la robustesse de la Td (résistance aux stress environnementaux). iii) sel-10, jmjd-3.1 et wdr-5.1 agissent sur la transcription de gènes impliqués dans la transdifférenciation (testé par smFISH). Ainsi qu’une caractérisation du motif d’expression marqueur de Td cog-1 au cours de la redifférenciation. / Differentiated cells can change their cellular fate induced or naturally. In order to understand the mechanisms controlling reprogramming processes, our laboratory is studying the natural change in identity (or transdifferentiation, Td) of a rectal epithelial cell (named Y) and motor neuron (named PDA) in Caenorhabditis elegans.Preliminary work has shown that there is a synergy between histone modifications (jmjd-3.1 and wdr-5.1) and ubiquitination (sel-10). SEL-10 is an E3 ubiquitin ligase with a Fbox domain and WD40 repeat domain.In this study, we highlight: i) the Fbox domain involvement in the Td, indications about the intracellular localization of SEL-10 and an unexpected role of the proteasome within TD. ii) a role of SEL-10 in the robustness of the Td. iii) sel-10, jmjd-3.1 and wdr-5.1 act on gene transcription in transdifferentiation. This one was tested by smFISH and allowed the characterization of the cog-1 transdifferentiation marker expression pattern during redifferentiation.

L’organisation de l’ADN sous forme de chromatine joue un rôle crucial dans la régulation de l’identité cellulaire. De par son rôle clé dans l’assemblage de la chromatine couplé à la synthèse d’ADN, le chaperon d’histone CAF-1 apparaît comme un acteur potentiel dans la transmission de l’information portée par la chromatine au cours des générations cellulaires. Bien que CAF-1 soit essentiel pour la survie au stade larvaire chez la Drosophile, les outils génétiques disponibles chez cet organisme permettent d’analyser sa fonction dans des types cellulaires ciblés. Mon travail montre que la grande sous-unité de CAF-1 (P180) est essentielle pour le maintien de la lignée germinale femelle. L’arrêt précoce de l’ovogénèse induit par la perte de P180 dans les cellules germinales a pu être attribué à l’activation de checkpoints, vraisemblablement en réponse à une accumulation d’ADN simple-brin liée à des défauts de réplication. De façon remarquable, les cellules souches germinales (GSCs) traversent une « crise identitaire » en absence de P180 : elles présentent des caractéristiques de cellules en cours de différenciation, dont une abscission incomplète, tout en conservant des propriétés spécifiques aux GSCs. En revanche, mon analyse n’a pas révélé de défaut d’identité des neuroblastes, une autre population de cellules souches, qui continuent de se diviser de façon asymétrique sans P180. De même, les cellules des disques imaginaux se divisant de façon symétrique prolifèrent en absence de P180, bien que plus lentement. Des analyses complémentaires permettront de déterminer si des mécanismes alternatifs d’assemblage de la chromatine compensent la perte de CAF-1 dans ces cellules. / The organization of DNA into chromatin is dynamic and plays important roles in the establishment and the maintenance of cellular identity. By virtue of its central role in replication-coupled chromatin assembly, the histone chaperone CAF-1 constitutes an interesting candidate in a search for molecular players involved in the inheritance of chromatin states in mitotic cells. In Drosophila, dCAF-1 is essential for viability at the larval stage. Yet, the genetic tools available in the fruit fly allow to analyze the function of dCAF-1 in specific tissues. Mainly, my thesis work shows that the large subunit of dCAF-1 (P180) is essential for oogenesis. I have shown that the early arrest of oogenesis observed upon depletion of P180 in germ cells results from the activation of checkpoints pathways and cell death, possibly in response to the accumulation of single-strand DNA as a consequence of replication defects. Strikingly, P180 plays an essential role in the female germline stem cells (GSCs), which upon depletion of P180 enter an “identity crisis” and harbor features of differentiating cyst cells, including incomplete abscission, while maintaining at the same time some GSCs features. In contrast, the loss of P180 does not seem to alter the identity of larval neuroblasts, another population of stem cells, which continue to divide in an asymmetric fashion in its absence. Finally, the cells of the imaginal discs, which divide symmetrically, are able to proliferate upon loss of P180, albeit at a slower rate. Further analyses are required to determine whether alternative chromatin assembly pathways compensate for the loss of dCAF-1 activity in these cells.

La formation d'un organe repose sur la coordination spatio-temporelle du positionnement et de la différenciation de progéniteurs. La finalité de ces évènements permet la constitution structurelle de l'organe et la production de la diversité cellulaire nécessaire pour assurer ses fonctions. L'épithélium olfactif de l'embryon de poisson-zèbre est issu de la migration de progéniteurs qui vont générer entre autres les neurones olfactifs. Au cours de ma thèse je me suis intéressé aux bases génétiques et moléculaires de la coordination de la morphogenèse et de la neurogenèse de cet épithélium tout en étudiant l'origine de la diversité des types cellulaires olfactifs. L'imagerie en temps réel m'a permis de caractériser la migration de ces progéniteurs en générant une carte morphométrique de leur déplacement. Mon travail de thèse révèle que le proneural Neurog1 régule directement l'expression de cxcr4b, un récepteur au chimiokine, dans les progéniteurs olfactifs assurant leur positionnement. Ainsi, Neurog1 coordonnerait la position et l'identité des progéniteurs olfactifs via ses cibles transcriptionnelles. Au sein de l'épithélium olfactif dans l'embryon, deux populations cellulaires (neurones à GnRH et neurones à microvillosités) ont été décrites comme provenant des crêtes neurales céphaliques (CNC). J'ai pu montrer que l'expression de marqueurs spécifiques de ces populations n'est pas affectée dans un contexte d'absence de différenciation des CNCs (sox10-/-) suggérant que ces types cellulaires ne dérivent pas de ce territoire. Afin d'identifier leur territoire d'origine, j'ai développé une méthode d'imagerie en temps réel, le backtracking, qui m'a permis de déterminer que la région de la placode olfactive, et non les crêtes neurales, génère ces deux types cellulaires. Ainsi j'ai pu définir la source de ces deux populations neuronales tout en minimisant la contribution des crêtes neurales. En conclusion mes résultats suggèrent que la diversité des neurones olfactifs serait produite localement et ceci conjointement à la morphogenèse de l'épithélium. / The correct development of sensory organs relies on the coordination between changes in progenitor positioning over time and the differentiation/specification of different neural subtypes. The outcome of this coordination is proper organ shape and cell diversity, which are required for functionality. The zebrafish embryonic olfactory epithelium arises from progenitor migration and differentiation. During my PhD, I studied the genetic and molecular basis of morphogenesis in this tissue, and how this is coordinated with neurogenesis, as well as revisiting the origin of olfactory cell type diversity.First, I generated a morphometric map of olfactory progenitors through the characterization of their migration in live embryos. Next, I showed that the proneural transcription factor Neurog1 directly regulates cxcr4b expression, a chemokine receptor that has already been shown to govern olfactory progenitor positioning. Thus, Neurog1 orchestrates olfactory progenitor position and the generation of olfactory neurons via distinct transcriptional targets. Secondly, I addressed the origin of olfactory neuron diversity. Within the embryonic olfactory epithelium, two cell populations (GnRH neurons and microvillous neurons) have been described as cephalic neural crest (CNC) derivatives. I found, however, that the expression of specific markers of both populations is unaffected in a genetic context blocking CNC differentiation. To revisit the lineage assignment of these cell types, I developed a backtracking approach through time-lapse live imaging. I found that both populations are derived from classical olfactory placode progenitor and not the CNC. In conclusion, my results indicate that heterogeneity of olfactory cell-types is locally generated, and concomitant with morphogenesis of the placode.

L’établissement de l’identité cellulaire est un phénomène très complexe qui implique pléthore de signaux instructifs intrinsèques et extrinsèques. Cependant, malgré les progrès importants qui ont été faits pour l’identification des régulateurs clés, les liens mécanistiques entre facteurs de transcription, épigénome, et structure de la chromatine lors de la différenciation cellulaire, et de la transformation tumorigénique des cellules, sont peu connus. Pour résoudre ces problématiques nous avons utilisé deux modèles de transition de l’identité cellulaire : la différenciation neuronale et endodermique induites par un même morphogène, l’acide rétinoïque. Concernant la transformation tumorale des cellules nous avons utilisé un système de tumorigenèse par étape de cellules primaires humaines. Nous avons conduit des études intégratives incluant des données transcriptomiques, épigénomiques, et des données concernant l’architecture de la chromatine. Notre approche systématique pour caractériser l’acquisition de l’identité cellulaire, combinée à la modélisation de la transduction du signal, renforce donc nos connaissances sur les mécanismes responsables de la plasticité cellulaire. Une meilleure compréhension des mécanismes régulateurs de l’identité cellulaire non seulement nous éclaire sur les relations de cause à effet entre les différents niveaux de régulation dans la cellule, mais aussi ouvre de nouvelles possibilités en terme de transdifférenciation dirigée. / The cell fate acquisition is a highly complex phenomenon that involves a plethora of intrinsic and extrinsic instructive signals. However, despite the important progress in identification of key regulatory factors of this process, the mechanistic links between transcription factors, epigenome and chromatin structure which coordinate the regulation of cell differentiation and deregulation of gene networks during cell transformation are largely unknown. To address these questions for two model systems of cell fate transitions, namely the neuronal and endodermal cell differentiation induced by the morphogen retinoic acid and the stepwise tumorigenesis of primary human cells, we conducted integrative transcriptome, epigenome and chromatin architecture studies. Through extensive integration with thousands of available genomic data sets, we deciphered the gene regulatory networks of these processes and revealed new insights in the molecular circuitry of cell fate acquisition. The understanding of regulatory mechanisms that underlie the cell fate decision processes not only brings the fundamental understanding of cause-and-consequence relationships inside the cell, but also open the doors to the directed trans-differentiation.

L’ADKP est la 5e cause de décès par cancer dans le monde occidental, et il est estimé qu’il constituera la 2e cause de mort par cancer d’ici à 2030. Le taux de survie à 5 ans est inférieur à 4%, et la médiane de survie est d’environ 6 mois. Ce pronostic sombre est dû à une pathologie asymptomatique dans les phases précoces du développement tumoral, résultant en un diagnostic tardif. Les tumeurs primaires sont constituées de structures épithéliales néoplasiques entourées par un stroma abondant empêchant l’accès des chimiothérapies aux cellules tumorales. La compréhension des mécanismes d’initiation et de progression tumorale est donc primordiale pour développer de nouvelles stratégies visant à la détection et à la prise en charge thérapeutique optimale des patients atteints d’ADKP. Le TGFbeta est une cytokine assurant de nombreuses fonctions physiologiques comme la régulation de l’immunité, la cicatrisation, le développement ou encore l’angiogenèse. Les résultats présentés dans ce manuscrit mettent en évidence que l’activation de la voie de signalisation TGFbeta perturbe la différenciation des cellules acineuses au cours du développement, et perturbe l’identité acineuse lorsqu’elle est activée dans le pancréas chez l’adulte. L’induction en parallèle de l’apoptose des cellules acineuses et d’une métaplasie acino-canalaire (ou ADM) mène à la disparition quasi-totale du tissu acineux au profit de structures canalaires typiques d’un pancréas en régénération. Lorsque l’oncogène KRASG12D est exprimé en parallèle dans le tissu pancréatique chez l’adulte, ce tissu canalaire régénératif est mis à profit par KRAS pour le développement précoce de lésions pré-néoplasiques. Mes travaux au sein de l’équipe du Dr. Laurent BARTHOLIN permettent donc de démontrer in vivo un nouveau rôle du TGFbeta dans la carcinogénèse pancréatique / PDA is the 5th cause of cancer related death in the western countries, and is estimated to move the second rank by 2020. The 5-year survival rate is less than 4%, and the median survival is around 6 months. The poor prognostic of this tumor is due to asymptomatic early phases of the disease, resulting in a late diagnosis. Primary tumors are composed by ductal neoplastic lesions embedded into a highly abundant stroma that prevents the access of chemotherapeutic drugs to the tumor cells. Thus, understanding tumor initiation and progression mechanisms is needed to develop new strategies aiming at detecting and taking care of patients in the most optimal manner. TGFbeta is a cytokine playing several physiological functions such as immunity regulation, wound healing, development or angiogenesis. Results presented in this manuscript demonstrate that activation of TGFbeta signaling disturb acinar cell differentiation during development, and disrupts acinar cell identity when activated in the adult pancreas. The simultaneous induction of acinar cell apoptosis and ADM leads to the massive loss of acinar cells and the emergence of ductal structures typical of pancreas regeneration. When the KRASG12D oncogene is expressed in combination with the activation of TGFbeta signaling, these regenerative duct structures are harnessed by KRASG12D to develop early neoplastic lesions. Thus, my work in Dr. Laurent BARTHOLIN’s team demonstrates a new function of TGFbeta in pancreatic carcinogenesis in vivo