Abstract : Regulation of transcription is crucial for the appropriate development and function of eukaryotic cells. In eukaryotes, DNA is organized into a dynamic, complex, nucleoprotein structure called chromatin. Chromatin structure provides markedly restricted access of transcription factors to regulatory sites. Several mechanisms have evolved to modulate chromatin dynamics in order to regulate proper gene expression. One of the most intriguing mechanisms that modulate chromatin structure is the exchange of canonical histones with histone variants by chromatin remodeling complexes. Among the histone variants, H2A.Z is an essential regulator of gene transcription. H2A.Z is enriched at regulatory regions but significant levels of the histone variant can also be found within gene bodies. However, the role of H2A.Z within the gene bodies is still not well understood. Recent evidence suggests that active recruitment of H2A.Z within gene bodies is required to induce gene repression. In contrast to this view, we show that global inhibition of transcription results in H2A.Z accumulation at gene transcription start sites, as well as within gene bodies. Our results indicate that accumulation of H2A.Z within repressed genes can also be a consequence of the absence of gene transcription rather than an active mechanism required to establish repression. The second part of my Ph.D. project was to investigate the potential role of BRD8 - a subunit of the p400/Tip60 complex - in p53-mediated signaling. We find that knockdown of BRD8 leads to p21 induction and concomitant cell cycle arrest in G1/S. We further demonstrate that the p53 transcriptional pathway is activated in BRD8-depleted cells, and this accounts for upregulation of not only p21 but also proapoptotic genes, an event that leads to consequent apoptosis. Importantly, the DNA damage response is induced upon depletion of BRD8 and DNA damage foci are detectable in BRD8-depleted cells under normal growth conditions, as indicated by immunostaining for γ-H2AX. Notably, H4K16 acetylation is reduced in BRD8-depleted cells suggesting that BRD8 may have a role in recruiting and/or stabilizing the p400/Tip60 complex within chromatin, thus facilitating DNA repair. Consistent with the activated DNA damage response, we find that in BRD8-depleted cells, CHK2 is activated but, surprisingly, CHK1 protein levels are severely reduced. Taken together, our results suggest that BRD8 is involved not only in mediating p53-dependant gene suppression, but also in mediating the DNA damage response. In the last part of my Ph.D. project, I investigated the possible mechanisms involved in recruitment of the p400 chromatin remodeler complex to chromatin. I showed that histone variant H2A.Z is essential for efficient recruitment of p53 and p400 to the distal p53 binding element of the p21 promoter. Furthermore, using double knockout (DKO) MEFs for p300/CBP I showed that the depletion of p300/CBP lead to a severe decrease in the recruitment of p400 at p21 promoter. Further studies are necessary to fully understand the role of p300/CBP in targeting p400 to chromatin. In conclusion, my studies provide insights into the molecular mechanisms involved in chromatin regulation by histone variant H2A.Z and chromatin remodeler complex p400. / Résumé : La régulation de la transcription est un mécanisme crucial pour le bon développement et fonctionnement des cellules eucaryotes. Chez les eucaryotes, l'ADN est organisé dans une structure dynamique de nucléoprotéines appelée chromatine. La structure de la chromatine forme une barrière qui contrôle l'accès des facteurs de transcription à leurs sites de fixation sur l’ADN. Plusieurs mécanismes ont été acquis au cours de l'évolution pour moduler la dynamique de la chromatine afin de réguler de manière adéquate l'expression des gènes. Un des mécanismes les plus intriguant qui module la structure de la chromatine est le remplacement des histones canoniques par des variants d'histones. Il est effectué par des complex de remodelage de la chromatine. Parmi les variants d'histones, H2A.Z est un régulateur essentiel de la transcription des gènes. H2A.Z est enrichi aux régions régulatrices des gènes, mais des niveaux significatifs de ce variant d'histone peuvent aussi être observés au cœur des gènes. Le rôle de H2A.Z localisé a lèintérieur gènes n'est, pour l'instant, pas bien compris. Des résultats récents suggèrent que le recrutement actif de H2A.Z dans les gènes est requis pour induire leur répression. En opposition à ces résultats, nous montrons que l'inhibition globale de la transcription conduit à l'accumulation de H2A.Z aux sites d'initiation de la transcription, mais aussi au cœur des gènes. Nos résultats indiquent que l'accumulation de H2A.Z dans les gènes réprimés serait une conséquence de l'absence de transcription plutôt qu'un mécanisme actif requit pour établir la répression. La seconde partie de mon doctorat a été dédiée à l'étude du rôle de BRD8 (une sous-unité du complexe p400/Tip60) dans la signalisation contrôlée par p53. Nous avons trouvé que la déplétion de BRD8 conduit à l'induction de p21 et à l'arrêt concomitant du cycle cellulaire en phase G1/S. Nous montrons aussi que le circuit transcriptionnel de p53 est activé dans les cellules déplétées en BRD8. Cela résulte en l'induction de p21, mais aussi de gènes proapoptotiques, ce qui conduit la cellule en apoptose. De manière marquante, la voie de réponse aux dommages de l'ADN est induite suite à la déplétion de BRD8, ce qui est observée par l'apparition de foci de dommages à l'ADN révélés par immunocoloration de γ-H2AX. De plus, l'acétylation de H4K16 est réduite dans les cellules déplétées en BRD8, suggérant que BRD8 pourrait avoir un rôle dans le recrutement et/ou la stabilisation du complexe p400/Tip60 dans la chromatine, et pourrait donc faciliter la réparation de l'ADN. En accord avec le fait que la réponse aux dommages de l'ADN soit activée, nous trouvons que dans les cellules déplétées en BRD8, CHK2 est activé mais étonnamment le niveau de la protéine CHK1 était fortement diminué. Ensemble, nos résultats suggèrent que BRD8 est impliqué non seulement dans la répression des gènes régulés par p53, mais aussi dans la réponse aux dommages de l'ADN. Finalement, dans la dernière partie de mon doctorat j'ai étudié le mécanisme qui pouvait être responsable du recrutement du complexe p400 au niveau de la chromatine. Nous avons montré que le variant d'histone H2A.Z est essentiel pour le recrutement de p53 et de p400 au site distal de fixation de p53 sur le promoteur de p21. De plus, en utilisant des cellules MEF DKO pour p300/CBP, nous avons montré que la déplétion de p300/CBP conduit à une diminution sévère du recrutement de p400 au promoteur de p21. En conclusion, mes études permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la chromatine par l'histone H2A.Z et le complexe de remodelage de la chromatine p400.

Les facteurs environnementaux, tels que les pesticides, peuvent induire des changements phénotypiques dans une variété d'organisme incluant les mammifères. Nous avons étudié chez la souris les effets d'un pesticide largement utilisé, l'atrazine (ATZ), sur la méiose, une étape clé du processus de spermatogenèse. L'utilisation des méthodes de puces à ADN (Gene-Chip) et de séquençage de chromatine immunoprécipité (ChIP-seq) nous a permis de mettre en évidence l'effet de l'ATZ sur une variété de fonctions cellulaires, incluant l'activité GTPase, la fonction mitochondriale et le métabolisme des hormones stéroïdes. De plus, les souris traitées présentent un enrichissement des marques d'histone H3K4me3 au niveau des régions de forte recombinaison (sites de cassures double brin) de gènes très long et une réduction de ces mêmes marques au niveau des régions pseudo-autosomal du chromosome X. Nos données démontrent que l'exposition à l'ATZ interfère avec le déroulement normal de la méiose, ceci affectant la production des spermatozoïdes. Nous avons trouvé que les marques H3K4me3, chez la souris mâle, sont largement affectées par l'ATZ grâce à l'utilisation de technique de séquençage du génome entier. La reprogrammation embryonnaire nécessite l'action coordonnée d'un grand nombre de gène et de facteurs épigénétiques afin de permettre la transition de cellules somatique en cellules germinales. Les modifications épigénétiques imposées pendant la transition des cellules somatiques en cellules germinales et affectées par des expositions nocives, peuvent être héritées et transmises aux générations suivantes via les gamètes. Dans cette étude, nous avons examiné l'héritage des histones modifié aux générations suivantes. Nous avons exposés des femelles gestantes CD1 non consanguines à l'ATZ et les mâles issus de ces femelles ont été croisés pendant trois générations avec des femelles non traitées. Nous avons démontré ici que l'exposition à l'ATZ réduit le nombre de spermatozoïdes sans affecter la morphologie cellulaire ou la proportion des différents types cellulaires constituant l'épithélium séminifère chez les individus issus de la 3ème génération après traitement. Beaucoup de gènes associés avec la réparation de l'ADN, la reproduction et les fonctions mitochondriales sont dérégulés chez les mâles issus de la 3ème génération après traitement. De façon importante, l'exposition à l'ATZ change dramatiquement l'initiation de la transcription, l'épissage et la polyadénylation alternative des ARN. Nous avons aussi observé chez les mâles F3 issus de souris traitées à l'ATZ une altération de la localisation des marques H3K4me3 dans le promoteur de gène associé à la régulation de processus métaboliques cellulaires, à la régulation de la transcription et à la mitose. Les changements de localisation des marques H3K4me3 chez les mâles F3 issus de souris traitées à l'ATZ correspondent à des changements de la localisation de ces marques au niveau de gènes impliqués dans la différenciation des cellules de type souche de la génération F1.Nos données suggèrent que l'héritage transgénérationnel est permis grâce à de multiples voies et repose sur le statut épigénétique de gènes impliqués dans la différenciation des cellules de type souches tels que Pou5f1 et Sox2, l'action des facteurs de transcription et la rétention d'histones dans le sperme. / Environmental factors such as pesticides can cause phenotypic changes in various organisms, including mammals. We studied the effects of the widely used herbicide atrazine (ATZ) on meiosis, a key step of gametogenesis, in male mice. We demonstrate that exposure to ATZ reduces testosterone levels and the number of spermatozoa in the epididymis and delays meiosis. Using Gene-Chip and ChIP-Seq analysis of H3K4me3 marks, we found that a broad range of cellular functions, including GTPase activity, mitochondrial function and steroid-hormone metabolism, are affected by ATZ. Furthermore, treated mice display enriched histone H3K4me3 marks in regions of strong recombination (double-strand break sites), within very large genes and reduced marks in the pseudoautosomal region of X chromosome. Our data demonstrate that atrazine exposure interferes with normal meiosis, which affects spermatozoa production.We found that the H3K4me3 marks in male mice are broadly affected by the widely used herbicide atrazine with genome wide ChIP-sequencing. Embryonic reprogramming requires the coordinated action of many genes and epigenetic factors to perform somatic to germline transition. The epigenetic modifications imposed during somatic to germline transition and affected by harmful exposure can be inherited and transferred to subsequent generations via the gametes. In this study, we examine the inheritance of altered histone modifications by subsequent generations. We exposed pregnant outbred CD1 female mice to the widely used herbicide atrazine (ATZ), and the male progeny were crossed for three generations with untreated females. We demonstrate here that exposure to ATZ reduces the number of spermatozoa without changing the cell morphology or types in testis tissue in the third generation after treatment. Many genes associated with DNA repair, reproduction and mitochondrial function became dysregulated in the third generation (F3) of males after treatment. Importantly, exposure to ATZ dramatically changes the transcription initiation, splicing and alternative polyadenylation of RNA. We also observed altered occupancy of H3K4me3 markers in the F3 generation of ATZ-derived males in gene promoters associated with the regulation of cellular metabolic processes, transcriptional regulation and mitosis. The changes in H3K4me3 occupancy in F3 ATZ-derived males correspond to changes in the H3K4me3 occupancy of stem cell differentiation genes in the F1 generation. Our data suggest that transgenerational inheritance is accomplished through multiple pathways and relies on the epigenetic state of stem cell differentiation genes such as Pou5f1 and Sox2, transcription factor action and sperm histone retention.