Chez les métazoaires, la mobilisation des éléments transposables est régulée par de petits ARN non codants appelés piARN pour "PIWI interacting RNA". Cette répression est très étudiée dans la lignée germinale adulte où elle est particulièrement efficace. Néanmoins, la mobilisation de ces éléments doit être régulée tout au long du développement de la lignée germinale, qui transmet l’information génétique à travers les générations. Durant ma thèse, j’ai utilisé le modèle D. melanogaster pour étudier la répression des éléments transposables au cours du développement de la lignée germinale femelle. J’ai ainsi pu montrer qu’une répression fonctionnelle par les piARN existe dès la fin de l’embryogenèse et que les gènes liés à la régulation chez l'adulte sont également nécessaires pour la répression au cours du développement. L’analyse de données de séquençage haut débit m’a permis de mettre en évidence la production de novo de piARN fonctionnels dans les gonades en formation. De plus, comme dans les ovaires adultes, j'ai pu remarquer une répression incomplète, ressemblant à la variégation, à tous les stades du développement. Des expériences de lignage cellulaire suggèrent fortement qu'une mémoire épigénétique précoce est initiée dans les cellules germinales embryonnaires et maintenue jusqu'au stade adulte. L'implication de l'Heterochromatin Protein 1a (HP1a) dans la production des piARN télomériques montrée par séquençage des piARN pourrait expliquer ce phénomène . Les données présentées ici montrent que piARN et leurs partenaires protéiques sont les composants d'un système de répression épigénétique continu tout au long de la vie des cellules germinales. / In metazoan germ cells, transposable element activity is repressed by small noncoding PIWI-associated RNAs (piRNAs). Numerous investigations in Drosophila have enlightened the mechanism of this repression in the adult germline. However, very little is known about piRNA-mediated repression during germline development. Nevertheless, to maintain the integrity of the genome, repression should occur throughout the lifespan of germ cells. During my PhD, I show that piRNA-mediated repression is active in the female germline, from late embryonic to pupal primordial germ cells, and that genes related to the adult piRNA pathway are required for repression during development. rhino-dependent piRNAs, exhibiting the molecular signature of the piRNA pathway "ping-pong" amplification step, are detected in larval gonads, arguing for de novo biogenesis of functional piRNAs during development. I also show that production of telomeric piRNAs depends on Heterochromatin Protein 1a (HP1a). Furthermore, as in adult ovaries, I observe an incomplete, bimodal and stochastic repression resembling variegation at all developmental stages. Clonal analyzes of this incomplete silencing strongly suggest that a cellular memory of an early repression decision is initiated in embryonic germ cells and further maintained until the adult stage. Taken together, the data presented here show that piRNAs and their associated proteins are epigenetic components of a continuous repression system throughout germ cell development.

Les Eléments Transposables (ET) sont des parasites du génome caractérisés par leur capacité à se répliquer plus rapidement que les autres éléments génétiques du génome. La régulation par la voie des piARN joue un rôle essentiel pour limiter l’expansion des ET dans les lignées germinales des animaux.La première question posée est comment le génome répond face à une nouvelle invasion par un ET. Dans ce but, nous avons introduit le transposon de Classe II mariner (sous-famille mos1) chez D. melanogaster, qui ne contient naturellement pas l’élément. Nous avons montré, qu’après son amplification autonome dans le génome, l’élément avait atteint un équilibre en termes de nombre de copies, depuis qu’une régulation de novo par les piARN avait été acquise.Deuxièmement, nous avons étudié la mobilisation de l’élément mariner au cours du processus de colonisation des régions géographiques tempérées. A partir d’un large panel de populations naturelles nous avons trouvé que l’activité moyenne de mariner était remarquablement augmentée dans les populations non-Africaines en comparaison aux populations Africaines. Ces variations peuvent s’expliquer par un fort polymorphisme d’expression (transcriptionnel et traductionnel) des gènes de la voie des piARN.Le troisième chapitre soutient que la forte activité des ET dans la lignée germinale mâle est un phénomène global chez les drosophiles. Par ailleurs, le contenu en ET chez les espèces sœurs (D. melanogaster et D. simulans) a fortement divergé et, cela a affecté la réponse associée à la production des piARN. Chez D. melanogaster, de nombreux « burst » de transposition ont eut lieu récemment. Ces familles d’ET sont activement réprimées par les piARN dans l’ovaire et donc, se retrouvent massivement surexprimés dans les testicules. Chez D. simulans, nous pensons que la réponse par les piARN résulte principalement d’une régulation passée qui semble être la relique d’anciennes invasions d’ET.La voie des piARN est supposé être « garante de l’intégrité du génome » de par son rôle actif dans la défense contre les ET. Cependant, si la sélection naturelle purge les génomes de ces parasites délétères, il semble que les mécanismes de régulation de l’hôte contribuent au maintien de l’homéostasie du génome en limitant leur expansion, et quelque part en favoriser le maintien sur long terme. Ainsi, une autre interprétation pourrait être que la voie des piARN est « garante de la diversification du génome » de par son rôle à faciliter l’accumulation des ET. / Transposable Elements (TEs) are genomic parasites characterized by their ability to replicate faster than any other genetic element in the genomes. The piRNA mediated silencing is of central importance to limit TE expansion in the germline of animal species. The present dissertation explores the relationship between TEs and piRNAs alongside their evolutionary dynamics.The first question raised here was to understand how the genome responds to a new TE invasion. For that purpose, we injected a mariner Class II transposon into D. melanogaster genome that does not naturally contain the element. We found that, after its self-replication into the genome, the element have reached a copy number equilibrium since a de novo piRNA mediated regulation have been acquired.Second, we studied the mariner rewiring activity during the colonization of geographical temperate regions. From a large sampling of D. simulans natural populations, we found the mean activity of mariner to be strikingly higher in non-African populations compared to the African ones. These findings support the idea that selection acting on piRNA effector proteins has been of central importance to explain TE lineages diversification during colonization process.The third chapter provides evidences to propose that, the strong TE activity in testes, is a general phenomenon in Drosophila. We also observed that TE landscape divergence between the two sister species, have affected the genomic response mediated by the piRNAs. As a response of their recent bursts of transposition, TEs overexpressed in testes are preferentially silenced by piRNAs in D. melanogaster ovaries. By contrast, we assumed the D. simulans piRNA response to be the relic of a past regulation that still persists mostly against inactive TEs.The piRNA silencing in the germline, is assumed to be the “vanguard of genome” defense and integrity due to its active role against TEs. However, while natural selection purifies the genome from its deleterious parasites, it seems that the host regulation contributes to genome homeostasis by limiting their expansion, and somehow, favors their longterm maintenance. Thus, another interpretation would have been that piRNA silencing is the “vanguard of genome” diversification due to its active role in facilitating TE accumulation

Une restriction alimentaire améliore la qualité du vieillissement et augmente la durée de vie chez de nombreuses espèces, y compris certains primates. Cependant, cette intervention s'accompagne souvent d'une baisse significative des capacités reproductives. Il est donc légitime de se demander si des signaux provenant du système reproductif contribuent aux effets positifs de la restriction alimentaire sur la longévité. Durant ma thèse, j'ai montré que l'expression de DAF-9/CYP27A1 et la production de l'hormone stéroïdienne D7- acide dafachronique (DA) sont augmentées chez C. elegans lorsque les vers sont soumis à une restriction alimentaire. De plus, la signalisation à l'acide dafachronique via le récepteur hormonal nucléaire NHR-8/NHR et la kinase let-363/mTOR est essentielle à l'augmentation de la durée de vie par restriction alimentaire. La signalisation stéroïde affecte également la plasticité de la lignée germinale en condition de jeûne. De plus, nous montrons que cette plasticité est nécessaire à l'augmentation de la longévité dans ce context de restriction. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que la signalisation des hormones stéroïdes est activée par le manque de nutriments et est requise pour l'augmentation de la longévité par la voie mTOR. En effet, chez un animal sauvage, le niveau d’expression de let-363/mTOR diminue en condition de jeûne. Ceci n’est pas observé lorsque les hormones stéroïdes sont absentes. De plus, le nombre de cellules de la lignée germinale au sein de la zone proliférative n'est plus affecté par le jeûne chez des animaux pour lesquels la synthèse d'hormones stéroïdes est inhibée. Une réduction artificielle du nombre de cellules germinales suffit à rétablir une réponse normale à la restriction alimentaire. Ceci suggère donc qu'il existe un lien étroit entre la lignée germinale et la longévité induite par une restriction alimentaire, et que ce lien repose en partie sur la signalisation des hormones stéroïdes. La kinase let-363/mTOR joue également un rôle central dans l'intégration de signaux nutritionnels et reproductifs. Nos données suggèrent également l'existence d'un signal entre lignée germinale et soma produit en condition de restriction alimentaire. L'augmentation de la durée de vie par restriction alimentaire implique donc une réponse systémique coordonnée qui implique l'appareil reproducteur. / Dietary restriction (DR) increases healthspan and longevity in many species, including primates, but it is often accompanied by impaired reproductive function. Whether signals associated with the reproductive system contribute to or are required for DR effects on lifespan has not been established. In my doctoral thesis presented here, we show that expression of DAF-9/CYP27A1 and production of the steroid hormone ∆7-dafachronic acid (DA) are increased in C. elegans subjected to DR. DA signaling through the non-canonical nuclear hormone receptor NHR-8/NHR and the nutrient-responsive kinase let-363/mTOR is essential for DR-mediated longevity. Steroid signaling also affects germline plasticity in response to nutrient deprivation and this is required to achieve lifespan extension. Results presented in my thesis demonstrate that steroid signaling is activated by nutrient scarcity and is required for DR effects on lifespan extension through TOR signaling. In the absence of proper steroid signaling, let-363/mTOR levels remain high during starvation and the number of germ cells within the proliferative zone of the germ line is no longer affected by nutrient availability. Interestingly, genetic reduction of germ cells alleviates the requirement for steroid signaling for DR-mediated lifespan extension. Genetically lowering the germ cell count mimics the response of the germ line to DR. These data demonstrate that steroid signaling links germline physiology to lifespan when nutrients are limited, and establish a central role for let-363/mTOR in integrating signals derived from nutrients and steroid hormones. We speculate that this induces a signal that is usually emitted when nutrients are scarce and the germ line becomes less active. Taken together, this thesis work suggests that, diet-induced lifespan extension is part of a coordinated response that involves reproductive phenotypes.

No description available.

Les modifications post-traductionelles des histones contribuent à l’expression génique et à la stabilité du génome. La méthylation de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me), une marque associée aux promoteurs de gènes transcrits, est déposé par les methyltransferases hautement conservées de la famille SET1, dans le contexte du complexe COMPASS. SET-2, l’homologue de SET1 chez Caenorhabditis elegans, est responsable de la déposition de H3K4me dans la lignée germinale, et son inactivation provoque une perte progressive de la fertilité. Le but de mon travail de thèse a été d’étudier comment SET-2 et la méthylation de H3K4 contribuent au maintien de la lignée germinale. J’ai montré que l’absence de SET-2 provoque une sensibilité accrue aux dommages à l’ADN. Cependant, les voies de signalisation et de réparation de ces dommages sont fonctionnelles dans le mutant set-2. Par séquençage de l’ADN, j’ai par ailleurs montré que la stérilité progressive observée en l’absence de set-2 n’est pas due à une capacité de réparation réduite. L’ensemble de mes résultats suggère que H3K4me pourrait agir en aval de la signalisation de dommages à l’ADN, en influençant l’organisation de la chromatine aux sites des cassures double brin. J’ai d’autre part mis en évidence une nouvelle fonction pour la méthylation de H3K4 dans l’organisation de la chromatine en montrant que set-2 interagit génétiquement avec le complexe Condensine II et la Topoisomérase II, facteurs clefs de l’organisation mitotique des chromosomes. Des expériences de microscopie par FLIM-FRET ont d’ailleurs validé une fonction de H3K4 méthylée dans l’organisation de la chromatine dans la lignée germinale. Enfin, j’ai montré par analyses transcriptomiques que la protéine CFP-1 du complexe COMPASS est impliquée dans la régulation du programme transcriptionnel de la lignée germinale et que cette fonction est indépendante de SET-2. L’ensemble de mes résultats montre comment la régulation chromatinienne impacte le maintien d’une lignée germinale fonctionnelle à plusieurs niveaux. / Post-translational modifications of histones contribute to gene expression and genome stability. Methylation of lysine 4 of histone H3 (H3K4me), a mark associated with actively transcribed genes, is deposited by the highly conserved SET1 family methyltransferases acting in COMPASS related complexes. SET-2, the SET1 homologue in Caenorhabditis elegans, is responsible for the deposition of H3K4me in the germ line, and its inactivation causes progressive loss of fertility. The purpose of my PhD work was to study how SET-2 and the methylation of H3K4 contribute to the maintenance of the germ line. I have shown that the absence of SET-2 causes increased sensitivity to DNA damage. However, the DNA damage-induced signaling and repair pathways are functional in the set-2 mutant. By DNA sequencing, I have also shown that the progressive sterility observed in the absence of set-2 is not due to a reduced repair capacity. Together, my results suggest that H3K4 methylation may act downstream of DNA damage signaling, potentially by influencing the organization of chromatin at the sites of double-strand breaks. I have also described a new function for H3K4 methylation in the organization of chromatin by showing that set-2 genetically interacts with the Condensitin II complex and Topoisomerase II, key factors in mitotic chromosome organization. Moreover, FLIM-FRET microscopy experiments have validated a role for H3K4 methylation in germline chromatin organization. Finally, using transcriptomic analyses, I have described a function for CFP-1, a component of the COMPASS complex, in the regulation of the germline transcriptional program independent of SET-2. Altogether, my results show how chromatin regulation affects the maintenance of a functional germline through multiple mechanisms.

La cellule est l’unité à la base de la vie. Elle est généralement délimitée par sa membrane et contient un noyau et du cytoplasme en plus d’autres composantes. Les cellules se divisent afin de maintenir et de perpétuer la vie par duplication de leur matériel génétique et par leur séparation en deux cellules physiquement distinctes durant la cytocinèse. Cependant, la division cellulaire est parfois modifiée et aboutit à la formation d’un tissu contenant plusieurs noyaux bordés d’une membrane unique appelé syncytium. Les syncytia sont fréquemment retrouvés chez les organismes vivants, bien que leurs fonctions et mode de formation restent peu compris. L’organisation en syncytium est conservée chez tous les animaux étudiés à ce jour au niveau de la lignée germinale dans laquelle les cellules partagent un cytoplasme commun par l’intermédiaire d’un pont intercellulaire stable. Dans la majorité des lignées germinales étudiées, les cellules sont directement connectées l’une à l’autre par un pont intercellulaire stable qui émerge de cytocinèses incomplètes. Cependant, certaines lignées germinales sont organisées autour d’une cavité commune à laquelle chaque cellule germinale est connectée. Dans ces lignées germinales, les mécanismes qui mènent à l’expansion du syncytium sont peu compris. Ma thèse décrit l’utilisation de la lignée germinale primordiale de C. elegans à son premier stade larvaire pour mieux comprendre l’organisation, l’expansion et la fonction des lignées germinales syncytiales. En utilisant la microscopie électronique et confocale, j’ai découvert que l’organisation du syncytium est fixée au premier stade larvaire. En effet, les deux cellules germinales primordiales (CGP) sont chacune individuellement connectée à une cavité cytoplasmique centrale par le biais de ponts intercellulaires stables. Nous avons nommé cette cavité le proto-rachis car l’organisation des CGP est identique à l’organisation de la gonade adulte. Chez l’adulte, les ponts intercellulaires qui connectent les cellules germinales au rachis sont stabilisés par des régulateurs d’actomyosine. Nous avons vérifié si cela était également le cas dans la gonade au premier stade larvaire. Tous les régulateurs présents dans la gonade adulte, sont aussi présent dans les ponts intercellulaires des CGP, mais la lignée germinale primordiale est réfractaire à la perturbation de la fonction de ces régulateurs. Ce résultat suggère que les régulateurs d’actomyosine sont organisés de manière très stable au premier stade larvaire. Afin de mieux comprendre comment le syncytium se développe dans la lignée germinale de C. elegans, j’ai ensuite suivi la première division des CGP par microscopie à temps réel. J’ai mis en évidence que l’anneau de cytocinèse se stabilise, puis se déplace vers le proto-rachis jusqu’à qu’il s’y intègre. Ces résultats indiquent que le syncytium se développe par cytocynèse incomplète. De plus, mes résultats montrent que la connexion au proto-rachis est maintenue durant la division des CGP. C’est pourquoi nous proposons un modèle pour l’expansion du syncytium dans lequel l’anneau de cytocinèse stabilise pour connecter une des cellules filles au proto-rachis, tandis que l’autre cellule fille est connecté par l’anneau stable qu’elle aura hérité de la cellule mère. Enfin, pour s’assurer que les mécanismes d’expansion du syncytium observés durant la division des CGP sont conservés au cours du développement de la gonade, j’ai conceptualisé et créé un dispositif de micro-fluidique qui en théorie permettrait de suivre plusieurs séries de division des CGP. En somme, mon travail de doctorat a fourni une caractérisation détaillée de la structure du syncytium dans la lignée germinale de C. elegans au premier stade larvaire, ainsi qu’un modèle pour l’expansion du syncytium. Mes découvertes indiquent que malgré des différences dans l’organisation des syncytia, la cytocinèse incomplète est un mécanisme conservé dans toutes les lignées germinales animales. Des travaux futurs seront nécessaires pour découvrir quelles voies de signalisation moléculaires sont sous-jacentes aux mécanismes de formation des syncytia, et ainsi de mieux comprendre quelle est la fonction de ces structures fascinantes. / The cell constitutes the basic unit of life. It is generally delimited by its membrane and contains a nucleus and cytoplasm amongst other components. To maintain and perpetuate life, cells divide by duplicating their genetic material, and by physically separating into two distinct cells during the process called cytokinesis. However, cell division is sometimes modified and leads to the formation of a tissue in which several nuclei are delimited by a single membrane, called a syncytium. Syncytial tissues are common amongst living organisms, but why and how they form remains unclear. The syncytial architecture is conserved in all studied animal germlines where germ cells share a common cytoplasm through stable intercellular bridges. In most animal germlines, the germ cells are directly connected with one another, and the stable intercellular bridges that connect the cells are known to arise from regulated incomplete cytokinesis. However, some germlines are organized around a central common cavity to which each germ cell is connected. In such germlines, the mechanisms of syncytium expansions remain unknown. My thesis describes the use of the C. elegans germline primordium at the first larval stage to better understand the organization, the expansion, and the function of germline syncytia. Using electron and confocal microscopy I found that the organization of the syncytium is established at the first larval stage. The two germ cells called the primordial germ cells (PGCs) each connect to a central cytoplasmic cavity through stable intercellular bridges. Because this organization is identical to the adult germline where each germ cell is connected to the central rachis, we termed the cavity between the PGCs proto-rachis. In the adult gonad, the intercellular bridges that connect the germ cells to the rachis are stabilized by actomyosin regulators, so I verified if this was also the case in the first larval stage gonad. All the regulators that localize to adult intercellular bridges were also present between the PGCs, but the primordial germ line is refractory to perturbation of these regulators. This suggests that the actomyosin regulators are organized in a very stable manner in the first larval stage germline. I next tracked the first division of the PGCs with live imaging to better understand how the syncytium expands in the C. elegans germline. I found that the cytokinetic ring stabilizes, then displaces towards the proto-rachis until it integrates into the syncytial structures. This finding suggests the syncytium expands by incomplete cytokinesis. In addition, my results indicate that the connection to the proto-rachis was maintained during PGCs division. We therefore propose a model in which the cytokinetic ring stabilizes and connects one of the daughter cells to the proto- rachis while the other cell is connected through the inherited stable ring from the mother cell. Finally, I designed and a created a microfluidic device that in theory would allow us to live image several rounds of PGCs division. This would confirm if the mechanisms of syncytium expansion that we observed during the first division of the PGCs are conserved in further development. My work has provided a detailed characterization of the syncytial structure in the C. elegans germline primordium as well as a model for syncytium expansion. My findings indicate that despite differences in the organization of the syncytium, incomplete cytokinesis is conserved as the mechanism for syncytium expansion in all animal germlines. Further research will be necessary to bring to light the molecular pathways underlying syncytium formation to have a better understanding of the function of these fascinating structures.