Le maintien de l'intégrité génomique est crucial pour la préservation du potentiel des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Les lésions de l'ADN dans les CSH sont associées à une capacité réduite à reconstituer l'hématopoïèse, à altérer le potentiel de différentiation et à accroître le risque de développer des tumeurs myéloïdes. Les éléments rétrotransposables (ER), se propageant dans le génome à travers un ARN intermédiaire, ont été associés à la perte d'auto-renouvellement, au vieillissement et aux dommages à l'ADN. Cependant, leur rôle dans les CSH n'avait pas été abordé. Dans cette étude, nous avons constaté que les CSH expriment des niveaux élevés d'ARNm de plusieurs ER comprenant des rétrovirus endogènes (ERV) et des L1 (LINE-1: Long Interspersed Nuclear Elements 1). Leur expression augmente avec l'irradiation. En utilisant des souris transgéniques L1-EGFP, on a montré que la rétrotransposition de L1 se produit dans les CSH in vivo. En outre, les inhibiteurs de la transcriptase inverse Efavirenz et ddC sauve à la fois les CSH des dommages persistants à l'ADN induit par l’irradiation et de la perte de prolifération in vitro. Ceci démontre que la rétrotransposition endogène joue un rôle important dans l'instabilité génomique de CSH induite par l’irradiation et dans leur perte de fonction. Nous avons précédemment montré que la thrombopoïétine (TPO), un facteur d'auto-renouvellement critique pour le CSH, limite les lésions de l'ADN induites par l’irradiation en améliorant la réparation de l'ADN. Nous avons découvert que le traitement par TPO empêche également l'expression et la mobilisation d’ER induite par l’irradiation. Nous avons aussi constaté que l’expression et la retrotransposition de L1 augmente dans les CSH provenant de souirs Mpl-/- et L1-EGFPxMpl-/-. Cela montre que la signalisation TPO in vivo est nécessaire pour restreindre l’expression et la retrotransposition d’ER dans les CSH au niveau basal et dans des conditions de stress. L'analyse transcriptomique a révélé que la TPO induit une réponse d'expression génique antivirale d'interféron (IFN) de type I dans les CSH. En utilisant des souris déficientes en STAT1/STAT2, nous démontrons que cette réponse est dépendante à la fois de STAT1 et de STAT2 et est requise pour l'inhibition de l'expression d’ER. En conclusion, cette étude montre que les ER représentent une importante source d’instabilité génomique dans les CSH. Les CSH sont capables de monter une réponse antivirale en réponse à la TPO comme un nouveau mécanisme pour limiter les dommages à l'ADN. Bien que la sécrétion constitutive d'IFN-I se produise chez des souris saines, les IFN sont produits abondamment principalement pendant les infections. Ainsi, la réponse d'expression de gène d'IFN induite par la TPO peut représenter un signal constitutif important et CSH-dédié; permettant à ces cellules de résister aux lésions de l'ADN induites par ER, tout en préservant leur capacité d'auto-renouvellement. / Maintenance of genomic integrity is crucial for the preservation of hematopoietic stem cell (HSC) potential. DNA damage in HSCs is associated with reduced ability to reconstitute hematopoiesis, altered lineage potential and accrued risk of developing myeloid malignancies. Retrotransposable elements (RE), spreading in the genome through an RNA intermediate, have been associated with loss of self-renewal, aging and DNA damage. However, their role in HSCs has not been addressed. In this study, we found that HSCs express high mRNA levels of several REs, including evolutionary recent long interspersed element-1 (L1) and endogenous retroviruses (ERV). Their expression further increases upon total body irradiation (TBI). Using L1EGFP transgenic reporter mice, we show that productive L1 retransposition occurs in HSCs in vivo. Furthermore, the reverse transcriptase inhibitors Efavirenz and ddC rescue TBI-induced both persistent DNA damage and HSC loss of proliferation in vitro. This demonstrates that endogenous retrotransposition plays an important role in TBI-induced HSC genomic instability and their loss of function. We have previously shown that thrombopoietin (TPO), a critical HSC self-renewal factor limits TBI-induced HSC DNA damage by improving DNA repair. We found that TPO treatment also prevents TBI-induced RE expression and mobilization. In addition, L1 expression and retrotransposition are increased in Mpl-/- and L1-EGFPxMpl-/- HSCs, showing that TPO signaling in vivo is required to restrain RE in HSCs, under both steady state and stress conditions. Transcriptomic analysis revealed that TPO induces an anti-viral, interferon (IFN) type-I like, gene expression response in HSCs. Using STAT1/STAT2-deficient mice, we demonstrate that this response is dependent on both STAT1 and STAT2 and is required for TPO-mediated RE expression inhibition in HSCs. Overall, this study shows that REs represent an important HSC intrinsic source of genomic instability and uncovers the ability of HSCs to mount an anti-viral innate immune state in response to TPO as a novel mechanism to minimize DNA damage. Although constitutive IFN-I secretion occurs in healthy mice, IFNs are produced abundantly mainly during infections. Thus, TPO-induced IFN gene expression response may represent an important constitutive, and HSC-dedicated, signal allowing HSCs to resist RE-induced DNA damage while preserving their self-renewal ability.

Les rétrotransposons L1 (Long INterspersed Element-1) sont des éléments génétiques mobiles dont l'activité contribue à la dynamique du génome humain par mutagenèse insertionnelle. Les conséquences génétiques et épigénétiques d'une nouvelle insertion, et la capacité d'un L1 à être remobilisé, sont directement liées au site d’intégration dans le génome. Aussi, l’analyse des sites d’intégration des L1s est capitale pour comprendre leur impact fonctionnel - voire pathogène -, en particulier lors de la tumorigenèse ou au cours du vieillissement, et l’évolution de notre génome. Dans ce but, nous avons induit de façon expérimentale la rétrotransposition d'un élément L1 actif plasmidique dans des cellules en culture. Puis, nous avons cartographié les insertions obtenues de novo dans le génome humain grâce à une méthode de séquençage à haut-débit, appelée ATLAS-seq. Finalement, les sites pré-intégratifs identifiés par cette approche ont été analysés en relation avec un grand jeu de données publiques regroupant les caractéristiques structurales, génétiques ou épigénétiques de ces loci. Ces expériences ont révélé que les éléments L1 s’intègrent préférentiellement dans des régions de la chromatine faiblement exprimées et renfermant des activateurs faibles. Nous avons aussi trouvé plusieurs positions chromosomiques qui constituent des points chauds d'intégrations récurrentes. Nos résultats indiquent que la distribution des insertions de L1 de novo n’est pas aléatoire, que ce soit à l’échelle chromosomique ou à plus petite échelle, et ouvrent la porte à l'identification des déterminants moléculaires qui contrôlent la distribution chromosomique des L1s dans notre génome / Retrotransposons are mobile genetic elements that employ an RNA intermediate and a reverse transcription step for their replication. Long INterspersed Elements-1 (LINE-1 or L1) form the only autonomously active retrotransposon family in humans. Although most copies are defective due to the accumulation of mutations, each individual genome contains an average of 100 retrotransposition-competent L1 copies, which contribute to the dynamics of contemporary human genomes. L1 integration sites in the host genome directly determine the genetic consequences of the integration and the fate of the integrated copy. Thus, where L1 integrates in the genome, and whether this process is random, is critical to our understanding of human genome evolution, somatic genome plasticity in cancer and aging, and host-parasite interactions. To characterize L1 insertion sites, rather than studying endogenous L1 which have been subjected to evolutionary selective pressure, we induced de novo L1 retrotransposition by transfecting a plasmid-borne active L1 element into HeLa S3 cells. Then, we mapped de novo insertions in the human genome at nucleotide resolution by a dedicated deep-sequencing approach, named ATLAS-seq. Finally, de novo insertions were examined for their proximity towards a large number of genomic features. We found that L1 preferentially integrates in the lowly-expressed and weak enhancer chromatin segments. We also detected several hotspots of recurrent L1 integration. Our results indicate that the distribution of de novo L1 insertions is non-random both at local and regional scales, and pave the way to identify potential cellular factors involved in the targeting of L1 insertions

The repetitive sequence composes nearly half of human and mouse genome, most of which are scattered repeats of transposable elements (TEs). The non-LTR retrotransposons are the most accumulated TEs in the mammalian genome and L1s are the most active and abundant autonomous retrotransposons. L1s are highly activated during the epigenetic reprogramming of early mammalian embryos and have the highest level of expression among all retrotransposons throughout the preimplantation state. Moreover, the reprogramming of somatic cells into iPSCs is associated with an increase in L1 expression. The transcription of L1 during the early embryogenesis is necessary to regulate developmental genes and prevent heterochromatin formation to maintain cellular pluripotency state, that guarantying an appropriate future differentiation. However, the role of L1 reactivation during the somatic cell reprogramming remains unclear. Therefore, aim of this work is to study the impact of L1 transcription during the reprogramming process of the iPSCs. We used CRISPR-mediated gene activation (CRISPRa) system that fuse a deactivated Cas9 (dCas9) with transactivation domains (VPR). We confirm the ability to overexpress L1 in Human Embryonic Kidney cells (HEK293) and Human Dermal Fibroblasts (HDFs) by utilizing CRISPR activation system and this will provide a good opportunity to study the role of L1 transcripts during the reprogramming of HDFs into iPSCs. Furthermore, we established stable HDFs that able to express combinations of “Yamanaka” reprogramming factors. The model system will allow to investigate the effect of overexpressing L1 with reprogramming factors to answer the question of whether L1 can trigger or facilitate the reprogramming processes and its underlying mechanism.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(生命科学) / 甲第24749号 / 生博第490号 / 新制||生||65(附属図書館) / 京都大学大学院生命科学研究科統合生命科学専攻 / (主査)教授 石川 冬木, 教授 高田 穣, 教授 朝長 啓造 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy in Life Sciences / Kyoto University / DFAM

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.