Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) establishes a persistent proviral reservoir by integrating into the genome of infected host cells. Current antiretroviral treatments (ART) do not target this persistent population of proviruses which include latently infected cells that upon treatment interruption can be reactivated to contribute to HIV-1 rebound. Deep sequencing of persistent HIV-1 proviruses has revealed that greater than 90% of integrated HIV-1 genomes are defective and unable to produce infectious virions. We hypothesized that intragenic elements in the HIV genome support transcription of aberrant HIV-1 RNAs from defective proviruses that lack long terminal repeats (LTRs). Using an intact provirus detection assay, I observed that resting CD4+ T cells and monocyte-derived macrophages (MDMs) are biased towards generating defective HIV-1 proviruses. Multiplex reverse transcription droplet digital polymerase chain reaction (RT-ddPCR) identified env and nef transcripts which lacked 5’ untranslated regions (UTR) in acutely infected CD4+ T cells and MDMs indicating transcripts are generated that do not utilize the promoter within the LTR. 5’UTR-deficient env transcripts were also identified in a cohort of people living with HIV-1 (PLWH) on ART, suggesting that these aberrant RNAs are produced in vivo. Using 5’ rapid amplification of cDNA ends (RACE), I mapped the start site of these transcripts within the Env gene. This region bound several cellular transcription factors and functioned as a transcriptional regulatory element that could support transcription and translation of downstream HIV-1 RNAs. Transient expression of an HIV-1 5’UTR deletion construct in HEK293T cells demonstrated that HIV-1 transcripts and proteins are still produced when the 5’UTR is absent. These studies provide mechanistic insights into how defective HIV-1 proviruses are persistently expressed to potentially drive inflammation in PLWH.

Ces dernières années des études ont montré le rôle de la méthylation dans la régulation transcriptionnelle. Au cours de cette thèse, nous avons exposé des cellules hépatiques à plusieurs stimuli pour en évaluer l'effet au niveau du méthylome. Nous avons précisément étudié des facteurs clés dans le carcinome hépatocellulaire que sont le virus de l'hépatite B, le TGFbeta et au cours de la différenciation des hépatocytes. Au cours de ces expositions, nous avons observé que la méthylation était remanié spécifiquement dans certaines régions. En effet nous n'avons pas observé de nombreux changements dans les régions promotrices mais dans les régions intragéniques. Nous avons ensuite identifié l'impact des changements de méthylation dans ces régions. Nous avons ainsi pu observer qu'au cours de la différenciation hépatique une déméthylation du corps du gène HNF4A au sein d'un promoteur alternatif était corrélé à l'expression d'un autre isoforme de ce gène sous le contrôle de ce promoteur alternatif. Enfin nous avons utilisé l'outil d'édition CRISPR pour modifier les régions intragéniques. Nous avons ainsi inséré des mutations au sein d'un enhancer intronique du gène TRRAP. Nous avons alors observé que cette région semblait être nécessaire à la surexpression du gène au cours du traitement mais également au niveau de la réponse au TGFbeta. En conclusion nous avons identifié les régions intragéniques comme des régions épigénétiquement dynamiques en réponse aux facteurs environnementaux tels que l'inflammation et l'infection par HBV. Nous avons également identifié pour ces régions un potentiel rôle dans la régulation transcriptionnelle ainsi que dans les événements d'épissage alternatif / Hepatitis B virus (HBV) and chronic inflammation are well known risk factors for several chronic liver pathologies and cancer. We firstly studied the ability of HBV to modify the host methylome, using naturally infected primary human hepatocytes, and bead array. As a result, we identified non- random changes in gene expression and DNA methylation occurring specifically upon HBV infection. Moreover, a set of differentially methylated sites appeared early and were stable. These HBV-induced DNA methylation changes were defined by a specific chromatin context characterized by CpG-poor regions outside of gene promoters. During liver inJury, hepatic progenitor cells (HPC) are essential for tissue regeneration. Because of its role in determining cellular fate, DNA methylation may have an important role during the process of HPC differentiation. We therefore assessed DNA methylation during HPC differentiation. We found a progressive demethylation of HNF4A alternative promoter strongly associated with higher expression of another isoforms of HNF4A. Finally, TGFbeta is linked to a change in DNA methylation profiles. Using genome-wide strategy we observed a specific pattern of DNA methylation changes in response to TGFbeta treatment. Indeed, the observed changes were, as for HBV-induced changes, enriched in intragenic regions. In order to study the role of these regions, we used CRISPR/Cas 9 strategy on the intragenic enhancer of the TRRAP gene. This disruption was likely to suppress TGFbeta response at TRRAP expression level as well as the complete response to this cytokine. These data support a higher dynamicity of intragenic regions in response to the different stimuli we used at methylation level in liver cells. Moreover, these results support a role of intragenic methylation in cellular

Le vieillissement est un processus complexe déterminé par des facteurs génétiques et environnementaux qui varie d’un individu à l’autre. Bien que le vieillissement soit la cause principale de nombreuses maladies, nos connaissances sur le sujet sont relativement limitées. Tout au long de ce travail, j’ai utilisé la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae pour identifier les facteurs génétiques et environnementaux influant sur le vieillissement et pour comprendre les interactions qu’ils entretiennent entre eux. Jusqu’à présent, les approches classiques de génétique ont permis de découvrir un certain nombre de gènes impliqués dans la régulation du vieillissement chronologique de la levure (CLS), basé sur la longévité de celle-ci en conditions non-prolifératives. Or, ces approches se sont essentiellement centrées sur des souches de laboratoire et n’ont que très peu exploité les richesses de la biodiversité. Dans une première partie, j’ai utilisé une large cohorte de levures composée de plus de 1000 souches naturelles de S. cerevisiae afin d’estimer la variabilité de longévité existant au sein de l’espèce. Leur longévité a été étudiée dans différentes conditions connues pour freiner le vieillissement : sous restriction calorique ou en présence d’un agoniste de la restriction calorique, la molécule rapamycine, qui inhibe directement la voie de signalisation TOR. Les microorganismes passent la majeure partie de leur vie dans des environnements défavorables, pauvres en ressources nutritives. Leur capacité à survivre à ces périodes de restriction (CLS) est donc primordiale. J’ai observé que les souches sauvages ont tendance à spontanément initier le programme de méiose aboutissant à la formation de spores lorsque les conditions environnementales deviennent restreintes. En revanche, les souches domestiques préfèrent entrer en quiescence, ce qui leur confère une viabilité et une résistance accrues. De plus, en ayant recours à une approche basée sur des gènes présélectionnés et à une étude d’association pangénomique, j’ai observé que la variabilité de longévité entre les différentes souches est déterminée par un large spectre de polymorphismes génétiques, tels que des mutations non-synonymes ou non-sens, et par l’absence ou la présence de certains gènes. Toutes ces composantes génétiques interagissent pleinement avec l’environnement. Dans une deuxième partie, j’ai réalisé une analyse de liaison génétique grâce à 1056 souches descendantes de deux souches parentales. La longévité (CLS) de ces 1056 souches a été mesurée dans le but d’identifier des locus de caractères quantitatifs (QTLs). Le vieillissement chronologique a été déterminé à la fois à partir d’un milieu riche, d’un milieu restreint en calories, ou en présence de rapamycine. J’ai identifié 30 QTLs distincts, certains d’entre eux sont communs et récurrents dans plusieurs environnements, tandis que d’autres sont plus spécifiques et occasionnels. Les deux QTLs principaux, associés aux gènes HPF1 et FLO11, codent tous deux des protéines du mur cellulaire, et sont jusqu’à présent non reconnus comme régulateurs du vieillissement. Etonnement, ces deux gènes contiennent des répétitions d’ADN en tandem qui s’avèrent être massivement amplifiées dans une des deux souches parentales d’origine. Alors que les allèles courts de HPF1 et FLO11 n’ont pas d’effet sur le vieillissement, les allèles longs sont relativement délétères, hormis en présence de rapamycine. Après investigation, il semble que la forme allongée de HPF1 provoque la flottaison des cellules de levure au cours de la phase de croissance, les exposants à des taux plus élevés d’oxygène. / Aging is a classical complex trait varying quantitatively among individuals and affected by both the genetic background and the environment. While aging is the highest risk factor for a large number of diseases, little is known about the underlying molecular mechanisms. Identifying the causal genetic variants underlying natural variation in longevity and understanding their interaction with the genetic background and the environment remains a major challenge. In this work, I used the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, to identify environmental and genetic factors contributing to aging. While extensive classical genetic studies discovered several genes involved in the regulation of chronological lifespan (CLS), which measures cell viability dynamic in non-dividing condition, using laboratory strains in standard conditions, there are only few studies exploiting variations in natural populations. In the first part, I used a large cohort of more than 1000 sequenced natural S. cerevisiae strains to provide a species-wide overview of CLS variability. Longevity was measured in different environments, including calorie restriction (CR), a natural intervention known to increase lifespan, and in the presence of rapamycin (RM), a drug that mimics CR by downregulating the TOR pathway. Unicellular microorganisms spend most of their lifetime in harsh restricted environments interrupted by short windows of growth, making CLS an important and likely adaptive trait. I found that wild strains subjected to CLS tend to trigger the meiotic developmental process leading to the formation of gametes wrapped into a very resistant cell wall. In contrast, domesticated strains tend to enter quiescence state when starved and display a tremendous variability in their survival capacity. Moreover, using both candidate gene approach and genome-wide association studies (GWAS), I demonstrated that variability in CLS is determined by a full spectrum of genetic variant that include gene presence/absence, copy number variation, non-synonymous SNPs and loss of function. All these genetic features were strongly regulated by the environment. In the second part, I performed linkage analysis using 1056 diploid segregants derived from a two parent advanced intercross. These 1056 diploid segregants were phenotyped for CLS to map quantitative trait loci (QTLs). The CLS was measured in complete media, CR and RM environments across multiple time points. I mapped 30 distinct QTLs, with some shared across different environments and time points, while others were unique to a specific condition. The two major effect size QTLs were linked with natural variation in the cell wall glycoproteins FLO11 and HPF1, previously unknown to regulate CLS. Interestingly, both genes presented massive intragenic tandem repeat expansions in one of the founder strain used in the crossing scheme. While the short versions of FLO11 and HPF1 alleles did not impact CLS, tandem repeat expansions within those genes were sufficient to confer a dominant detrimental effect that was partially buffered by rapamycin treatment. Further investigation revealed that the extended form of HPF1 makes cells floating during exponential phase, exposing them to higher oxygen rates, and leading to perturbation of redox homeostasis, activation of misfolded protein response, and alteration of multiple genes involved in methionine, ribosome and lipid biosynthesis, eventually contributing to CLS shortening. Taken together, my work provided an unprecedented overview of natural variation in CLS in a genetic model system and revealed multiple genetic and environmental factors that shape the species phenotypic variation.

AREG und EREG sind Liganden des EGFR, deren Expression mit einem positiven EGFR-zielgerichtetem Therapieansprechen in Darmkrebs korreliert. Ziel dieser Arbeit war es, einen epigenetischen Einfluss auf die AREG und EREG Expression zu klären. Es wurde gezeigt, dass AREG und EREG in verschiedenen kolorektalen Krebszelllinien differenziell exprimiert sind, und dass die Expression beider Gene durch epigenetische Inhibitoren erhöht werden kann. Eine Analyse in fünf Zelllinien zeigte jedoch, dass die Promotoren beider Gene hauptsächlich unmethyliert vorlagen. Hingegen wurden kurze Regionen im Gen als differentiell methyliert identifiziert. Im AREG Gen liegt diese Region im Exon 2, was auf einen ungewöhnlichen Regulationsmechanismus hindeutet. Promotorfunktionsanalysen zeigten dann, dass diese Region eine methylierungs- und orientierungsabhängige Promotorfunktion hat, in die das MDB-Protein CTCF involviert sein könnte. Expressionsanalysen wiesen darauf hin, dass auch ZBTB33, ein anderes MDB-Protein, in die AREG Regulation involviert sein könnte. Die ZBTB33 Expression korrelierte negativ mit der AREG Expression in den Zelllinien. Eine ZBTB33-Bindungsstelle konnte ausserdem bioinformatorisch im AREG Exon 2 identifiziert werden. Des weiteren wurde gezeigt, dass die Behandlung der Zelllinie LIM1215 mit HDAC Inhibitoren in vitro zu einer Erhöhung der Sensitivität gegenüber EGFR-zielgerichteten Medikamenten führt, begleitet von einer Erhöhung der AREG und EREG Expression. Im in vivo Versuch konnte die Sensitivität von LIM1215 Zellen durch die Behandlung mit DNMT Inhibitoren erhöht werden. Begleitet wurde dies hier mit einer Verringerung der Methylierung der AREG und EREG intragenischen CpGs. Diese Ergebnisse zeigen auf, dass Patienten, die resistent gegenüber EGFR-zielgerichteten Therapien sind, möglicherweise sensitiv gemacht werden können. In dem Fall könnten AREG und EREG als prädiktive Marker eingesetzt werden, um den Effekt der epigenetischen Inhibitoren zu evaluieren. / AREG and EREG are ligands of the EGFR whose expression correlates with a positive EGFR-targeted therapy response in colorectal cancer. Aim of this work was to define the influence of epigenetic mechanisms on AREG and EREG gene expression. It could be shown that AREG and EREG are differentially expressed in a set of colorectal cancer cell lines and that the expression of both genes increases after treatment with epigenetically interfering compounds such as DNMT inhibitors and HDAC inhibitors. Methylation analysis showed that the promoters of both genes were mainly unmethylated. Nevertheless, short intragenic regions were identified to be differentially methylated. For AREG, this region is located within exon 2, indicating an uncommon epigenetic regulatory mechanism. Promoter function analyses showed that the AREG exon 2 region harbor methylation- and orientation dependent promoter function and they suggested CTCF, an MDB-protein, to be involved in this mechanism. Expression analysis experiments suggested also ZBTB33, another MDB-protein, to be involved in AREG regulation. ZBTB33 was differentially expressed in the cells and it correlated inversely with the AREG expression. Additionally, bioinformatic analyses identified a ZBTB33 binding site within AREG exon 2. It was also shown in this work that LIM1215 cells treated with HDACis were more sensitive towards EGFR inhibitors in vitro. This effect was accompanied by an increased AREG and EREG expression. In vivo, an increased sensitivity towards EGFR inhibitors was achieved in LIM1215 cells by treatment with a DNMT inhibitor. Here the effect was accompanied by a reduced methylation within the AREG and EREG intragenic CpGs. Together, the results suggested a new possibility to potentially make EGFR-targeted therapy resistant patients suitable for this therapy by epigenetic compound treatment. In that case AREG as well as EREG might be predictive markers to evaluate the effect of the epigenetic compounds during therapy.

L'ingénierie enzymatique est un outil très avantageux dans l'industrie biotechnologique. Elle permet d'adapter les enzymes à une activité ou à une condition de réaction spécifique. En outre, elle peut permettre de déchiffrer les éléments clés qui ont facilité leur modification. Bien que l'ingénierie enzymatique soit largement pratiquée, elle comporte encore plusieurs goulets d'étranglement. Certains de ces goulets d'étranglement sont techniques, comme le développement de méthodologies pour la création de banques de mutations ciblées ou la réalisation de criblages à haut débit, et d'autres sont conceptuels, comme le déchiffrage des caractéristiques clés pertinentes d'une protéine cible pour la réussite d'un projet d'ingénierie. Parmi ces défis, l'épistasie intra-génique, ou la non-additivité des effets phénotypiques des mutations, est une caractéristique qui entrave grandement la prévisibilité. L'amélioration de l'ingénierie enzymatique nécessite une approche multidisciplinaire qui inclut une meilleure compréhension des relations structure-fonction-évolution. Cette thèse vise à contribuer à l'avancement de l'ingénierie enzymatique en étudiant deux systèmes modèles. Premièrement, des variantes dynamiques de la ß-lactamase TEM-1 ont été choisies pour étudier le lien entre la dynamique des protéines et l'évolution. La ß-lactamase TEM-1 a été largement caractérisée dans la littérature, ce qui s'est traduit par des connaissances approfondies sur son mécanisme de réaction, ses caractéristiques structurelles et son évolution. Les variantes de la ß-lactamase TEM-1 utilisées comme système modèle dans cette thèse ont été largement caractérisées, montrant une dynamique accrue à l'échelle temporelle pertinente pour la catalyse (µs à ms) mais maintenant la reconnaissance du substrat. Dans cette thèse, l'évolution in vitro de ces variantes dynamiques a été réalisée par des cycles itératifs de mutagenèse et de sélection aléatoires pour permettre une exploration impartiale du paysage de ‘fitness’. Nous démontrons que la présence de ces mouvements particuliers au début de l'évolution a permis d'accéder à des voies de mutations connues. De plus, des interactions épistatiques connues ont été introduites dans les variantes dynamiques. Leur caractérisation in silico et cinétique a révélé que les mouvements supplémentaires sur l'échelle de temps de la catalyse ont permis d'accéder à des conformations conduisant à une fonction améliorée, comme dans le TEM-1 natif. Dans l'ensemble, nous démontrons que l'évolution de la b-lactamase TEM-1 vers une nouvelle fonction est compatible avec divers mouvements à l'échelle de temps µs à ms. Il reste à savoir si cela peut se traduire par d'autres enzymes ayant un potentiel biotechnologique. Deuxièmement, la lipase Cal-A, pertinente sur le plan industriel, a été choisie pour identifier les caractéristiques qui pourraient faciliter son ingénierie. La lipase Cal-A présente des caractéristiques telles que la polyvalence du substrat et une grande stabilité thermique et réactivité qui la rendent attrayante pour la modification des triglycérides ou la synthèse de molécules pertinentes dans les industries alimentaire et pharmaceutique. Contrairement à TEM-1, la plupart des études d'évolution in vitro de la lipase Cal-A ont été réalisées dans un but industriel, avec une exploration limitée de l'espace de mutation. Par conséquent, les caractéristiques qui définissent la fonction de la lipase Cal-A restent insaisissables. Dans cette thèse, nous faisons état de la mutagenèse ciblée de la lipase Cal-A, confirmant l'existence d'une région clé pour la reconnaissance du substrat. Cela a été fait en combinant une nouvelle méthodologie de création de bibliothèque basée sur l'assemblage Golden-gate avec une visualisation structurelle basée sur des scripts pour identifier et cartographier les mutations sélectionnées dans la structure 3D. La caractérisation et la déconvolution de deux des plus aptes ont révélé l'existence d'une épistasie dans l'évolution de la lipase Cal-A vers une nouvelle fonction. Dans l'ensemble, nous démontrons que l’identification d'une variété de propriétés suite à la mutagenèse ciblée peut grandement améliorer la connaissance d'une enzyme. Cette information peut être appliquée pour améliorer l'efficacité de l'ingénierie dirigée. / Enzyme engineering is a tool with great utility in the biotechnological industry. It allows to tailor enzymes to a specific activity or reaction condition. In addition, it can allow to decipher key elements that facilitated their modification. While enzyme engineering is extensively practised, it still entails several bottlenecks. Some of these bottlenecks are technical such as the development of methodologies for creating targeted mutational libraries or performing high-throughput screening and some are conceptual such as deciphering the key relevant features in a target protein for a successful engineering project. Among these challenges, intragenic epistasis, or the non-additivity of the phenotypic effects of mutations, is a feature that greatly hinders predictability. Improving enzyme engineering needs a multidisciplinary approach that includes gaining a better understanding of structure-function-evolution relations. This thesis seeks to contribute in the advancement of enzyme engineering by investigating two model systems. First, dynamic variants of TEM-1 ß-lactamase were chosen to investigate the link between protein dynamics and evolution. TEM-1 ß-lactamase has been extensively characterized in the literature, which has translated into extensive knowledge on its reaction mechanism, structural features and evolution. The variants of TEM-1 ß-lactamase used as model system in this thesis had been extensively characterized, showing increased dynamics at the timescale relevant to catalysis (µs to ms) but maintaining substrate recognition. In this thesis, in vitro evolution of these dynamic variants was done by iterative rounds of random mutagenesis and selection to allow an unbiased exploration of the fitness landscape. We demonstrate that the presence of these particular motions at the outset of evolution allowed access to known mutational pathways. In addition, known epistatic interactions were introduced in the dynamic variants. Their in silico and kinetic characterization revealed that the additional motions on the timescale of catalysis allowed access to conformations leading to enhanced function, as in native TEM-1. Overall, we demonstrate that the evolution of TEM-1 b-lactamase toward new function is compatible with diverse motions at the µs to ms timescale. Whether this can be translated to other enzymes with biotechnological potential remains to be explored. Secondly, the industrially relevant Cal-A lipase was chosen to identify features that could facilitate its engineering. Cal-A lipase presents characteristics such as substrate versatility and high thermal stability and reactivity that make it attractive for modification of triglycerides or synthesis of relevant molecules in the food and pharmaceutical industries. Contrary to TEM-1, most in vitro evolution studies of Cal-A lipase have been done towards an industrially-specified goal, with limited exploration of mutational space. As a result, features that define function in Cal-A lipase remain elusive. In this thesis, we report on focused mutagenesis of Cal-A lipase, confirming the existence of a key region for substrate recognition. This was done by combining a novel library creation methodology based on Golden-gate assembly with script-based structural visualization to identify and map the selected mutations into the 3D structure. The characterization and deconvolution of two of the fittest revealed the existence of epistasis in the evolution of Cal-A lipase towards new function. Overall, we demonstrate that mapping a variety of properties following mutagenesis targeted to specific regions can greatly improve knowledge of an enzyme that can be applied to improve the efficiency of directed engineering.