La lysyl oxydase-like 1 (LOXL1) est une enzyme nécessaire à la maturation des fibres élastiques dans matrice extra-cellulaire lors des processus de réparation tissulaire à l'âge adulte. Chez l'Homme, le niveau d'expression de LOXL1 dans les fibroblastes dermiques diminue avec l'âge contribuant ainsi au relâchement cutané. Dans la pathologie génétique cutis laxa, pouvant être considérée comme un modèle de vieillissement accéléré, le promoteur du gène loxl1 est la cible de méthylation au niveau de sites riches en cytosines et guanosines, appelés îlots CpG, ce qui empêche l'initiation de la transcription. Dans ce travail de thèse, d'une part, nous avons voulu savoir si le déficit en fibres élastiques au cours du vieillissement du derme humain pouvait être la conséquence de l'hyperméthylation de loxl1 ; et d'autre part, nous avons recherché des actifs végétaux capables de contrer ce mécanisme. Pour cela, nous avons testé des modèles de vieillissement in vitro afin de corréler la perte en fibres élastiques et l'hyperméthylation de loxl1. Une méthode d'analyse de la méthylation nous a permis de déceler l'hyperméthylation spécifique de loxl1 au cours du vieillissement chronologique. Des analyses transcriptomiques en PCR en temps réel, des expériences de précipitation de la chromatine ainsi que des analyses d'activités de promoteurs ont permis de mettre en évidence l'importance de l'ADN méthyltransférase 3a (DNMT3a) dans la régulation du promoteur loxl1. Cette enzyme a été clonée en système eucaryote et deux nouveaux partenaires ont été identifiés: la protein arginin methyltransferase 5 (PRMT5) et la methylosome protein 50 (MEP50). Enfin, ce mécanisme de régulation a été testé lors d'un criblage d'actifs végétaux à des fins cosmétiques. Nous avons trouvé deux actifs ayant la capacité de contrer de façon directe ou indirecte l'activité de la DNMT3a et de supprimer la méthylation de loxl1 dans des fibroblastes âgés / Lysyl oxidase-like 1 (LOXL1) is an enzyme required for the maturation of elastic fibres in the extracellular matrix during tissue repair process at adulthood. In human dermal fibroblasts, LOXL1 expression decreases with age, thus contributing to sagging skin. In the genetic disease cutis laxa, which can be regarded as a model of accelerated ageing, the loxl1 gene promoter has been shown to undergo DNA methylations in a cytosine-guanine rich region, known as CpG Island, which prevented the initiation of transcription. In this thesis, firstly, we wanted to know whether the deficit in elastic fibres in the dermis of human during ageing could be the result of loxl1 hypermethylation; and secondly, we sought plant extracts capable of counteracting this mechanism. Different in vitro ageing models were assessed to correlate the loss of elastic fibres and hypermethylation of loxl1. A particular methylation analysis method allowed us to identify specific hypermethylation of loxl1 during chronological ageing. Transcriptomic analyses by real-time PCR, precipitation of chromatin experiments and analysis of promoter activity led to highlight the importance of DNA methyltransferase 3a (DNMT3a) in the regulation of loxl1 promoter. This enzyme has been cloned in an eukaryotic system and two new partners have been identified: protein arginine methyltransferase 5 (PRMT5) and methylosome protein 50 (MEP50). Finally, this regulatory mechanism has been tested as a screening tool for cosmetic purposes. We selected two plant extracts with the ability to counteract, directly or indirectly, the activity of DNMT3a and remove methylation from loxl1 promoter in aged fibroblasts

Les rétrovirus endogènes (ERV) sont constitutifs du génome des eucaryotes et représentent environ 400000 loci dans le génome humain divisés en différentes familles. Ces HERV (Human ERV) sont pour la majorité silencieux en contexte physiologique excepté dans le placenta mais présentent une activité transcriptionnelle en contexte pathologique comme par exemple dans les cancers. Il est difficile de comprendre de façon systématique les mécanismes de régulation/dérégulation des HERV et leur implication en contexte physiopathologique car il n’existe à ce jour aucun critère permettant de distinguer qu’elles sont les longues terminaisons répétées (LTR) transcriptionnellement actives dans l’ensemble de ces éléments de régulation. Nous avons développé deux générations de puces à ADN haute densité afin d’appréhender quelles étaient les LTR réactivées dans les cancers et de comprendre les mécanismes sous-jacents à la transcription des HERV. Avec la première version de la puce HERV, nous avons notamment identifié six loci de la famille HERV-W différentiellement exprimés dans le cancer testiculaire dont le locus ERVWE1 qui code pour la syncytine-1 impliquée dans la morphogénèse placentaire. L’analyse de l’ADN des tumeurs et des tissus sains adjacents démontre que l’hypométhylation des régions U3 promotrices est un pré-requis à l’activation des HERV. La deuxième version de la puce HERV a été utilisée pour une recherche de biomarqueurs pronostiques dans le cancer du poumon non à petites cellules. Ceci a permis de mettre en évidence des réactivations de HERV dans certains échantillons cancéreux et illustre la difficulté d’une telle approche au regard des disparités inter-individus / Endogenous Retroviruses (ERVs) are inherited part of the Eukaryotic genomes, and represent about 400,000 loci in the Human genome divided in distinct families. The majority of HERVs (Human ERV) are mainly silent in most physiological contexts excepted in placenta, whereas a significant expression is observed in pathological contexts such as cancers. It is difficult to understand HERV (de)regulation mechanisms and their implication in physio-pathological contexts, as there is no criteria defining transcriptional active promoters HERV long terminal repeats (LTRs) among all these regulatory élements. We developed two versions of highdensity DNA microarray to specifically detect LTR reactivated in cancers and try to understand transcription mechanism of HERV. With the first version of HERV-microarray, we identified six HERV-W loci over-expressed in testicular cancer, including the domesticated ERVWE1 locus which produces an envelope protein dubbed Syncytin-1 associated with placenta development. The analysis of DNA from tumoral versus normal tissue reveals that hypomethylation of U3 promoters in tumors is a prerequisite of HERV activation. The second version of HERV-microarray was used to identify prognosis biomarkers in non small cell lung cancer. This study identified HERV reactivation in some samples and highlighted difficulties of such approach due to inter-individuals disparities

La méthylation de l’ADN est une modification épigénétique sur les cytosines des dinucléotides CpG catalysée par les enzymes DNMT. Les cellules cancéreuses présentent des hyperméthylations aberrantes sur les promoteurs de gènes dits suppresseurs de tumeurs, ce qui contribue à leur répression transcriptionnelle et favorise la progression tumorale. De par sa nature réversible, la méthylation de l’ADN est une cible de choix pour des thérapies épigénétiques ; cependant, les inhibiteurs de DNMT ont une action de déméthylation globale du génome qui conduit à une forte toxicité. Mon travail a consisté à développer des stratégies de déméthylation ciblée sur des régions spécifiques du génome. Premièrement, j’ai validé une stratégie induisant une reprogrammation épigénétique spécifique et durable du gène suppresseur de tumeurs SERPINB5 dans des cellules de cancer du sein. Deuxièmement, j’ai optimisé des stratégies d'édition de l’épigénome comme outil en recherche fondamentale. / DNA methylation takes place on cytosines of CpG dinucleotides in mammals and is catalysed by DNMT enzymes. Cancer cells are characterised by frequent promoter hypermethylation leading to transcriptional repression of tumor suppressor genes and favouring tumor progression. Because of its reversible nature, DNA methylation is a target of choice in epigenetic therapies. However, current DNMT inhibitors act in a global and non-specific manner, leading to side effects and toxicity in normal cells. During my thesis I have developed strategies to perform targeted demethylation in specific regions of the genome without affecting global methylation. First, I have validated a strategy inducing the specific and durable epigenetic reprogramming of the tumor suppressor gene SERPINB5 in a breast cancer cell line, which can pave the way to further biomedical research. Second, I have optimised epigenome editing strategies as a regular tool in basic research.

Les notions selon lesquelles l’exposition environnementale peut être mémorisée et puisse dans des conditions défavorables favoriser l’apparition d’épimutations soulèvent la question d’une possible transmission transgénérationnelle chez l’Homme lorsque les gamètes sont atteints.Afin de répondre à la question du risque de transmission de dérégulation épigénétique (épimutation) chez l’Homme, nous l’avons abordé selon deux axes. Le premier nous a permis d’évaluer le risque de transmission intergénérationnelle chez un patient présentant un syndrome de Silver-Russell (SRS) et nous avons pu démontrer pour la première fois l’efficience de la reprogrammation épigénétique chez l’Homme pour des régions soumises à empreinte : disparition du défaut de méthylation du locus H19/IGF2 causal dans les gamètes du patient ainsi qu’une absence de transmission à sa descendance. Le second nous a conduit à dépister la présence d’épimutations spermatiques à partir de deux modèles : 1/ de pères d’enfants atteints de pathologies liées à l’empreinte parentale et 2/ de patients atteints de cancer testiculaire. Dans les 2 cas, l’analyse par pyroséquençage de leurs spermatozoïdes n’a pas mis en évidence de défaut d’empreinte. Néanmoins, nous avons retrouvé une association entre oligozoospermie et défaut d’empreinte spermatique.Le principal défi des études à venir est d’identifier les mécanismes intervenant dans l’apparition de ces épimutations. Les principales pistes convergent vers les petits ARNs non codants ou certaines régions de l’ADN dont les marques épigénétiques pourraient (au moins partiellement) échapper aux contrôles mis en place lors des phases successives de reprogrammation épigénétique. / The notion that environmental exposure can be memorized and promote epimutation (defined as defects on DNA methylation) raises the question of possible epigenetic transgenerational transmission in humans. To address whether an epimutation could be transmitted in humans, we pursued two axes. First, the evaluation of intergenerational transmission in the family of a Silver-Russell patient has shown, for the first time, the efficiency of epigenetic reprogramming in humans, specifically on imprinted regions. Indeed, no imprinted defect on causal H19/IGF2 locus was detected in the patient’s spermatozoa or in the DNA of his daughter. The second axis was to assess the presence of sperm epimutations 1/ from fathers of children diagnosed with imprinted syndromes and 2/ from men presenting testicular seminoma. Pyrosequencing analyses on imprinted genes did not reveal any alteration of sperm DNA methylation, though we confirmed an association between oligozoospermia and sperm imprinting defects.The next step will be to identify the mechanisms involved in the origin of the sperm epimutation. The main hypotheses converge to small non-coding RNAs or certain DNA regions which escape to controls setting up (at least partially) at the time of epigenetic reprogramming.

Les hydrotropes sont de petites molécules amphiphiles utilisées dans de nombreux domaines d'applications (détergence, extraction, solubilisation, etc …). Les hydrotropes sont principalement d'origine pétrosourcée et des molécules alternatives d'origine biosourcée ont été synthétisées selon des voies de synthèse éco-compatibles.Deux tétraols, l'érythritol et le pentaérythritol, ont été utilisés comme tête polaire. La partie apolaire est incorporée via une liaison éther car celle-ci est plus résistante en milieux salins. L'alkylation réductrice directe de dérivés carbonylés conduisant à des résultats non satisfaisants, une synthèse en deux étapes d'acétalisation puis d'hydrogénolyse a donc été développée, conduisant aux éthers de tétraols avec de bons rendements. Les propriétés physico-chimiques de ces éthers sont meilleures que celles d'hydrotropes standards, mais non suffisantes pour l'application visée. Ainsi, des éthers de glycérol fonctionnalisés par une fonction carboxylate ont été synthétisés. Une première étape d'alkylation réductrice permet d'accéder aux mono-éthers de glycérol. Une réaction en cascade d'acétalisation puis d'hydrogénolyse à partir de céto-esters permet de greffer la fonction carboxylate. L'alcool libre peut ensuite être méthylé à l'aide du phosphate de triméthyle. Cette méthode de méthylation a ensuite été étendue à de nombreux polyols (érythritol, glycérol, diglycérol, acide tartrique, etc …). Les produits de perméthylation sont obtenus avec de bons rendements, et le catalyseur acide est une résine recyclable / Hydrotropes are small amphiphilic molecules with applications in numerous fields such as extraction, detergency, solubilization, etc … Generally, hydrotropes are petrosourced, thereby biosourced alternatives molecules have been synthesized using eco-compatible synthesis.Two tetraols, erythritol and pentaerythritol, were used as polar head. Ethers bond was retained to link the two parts of the amphiphilic molecule due to its better resistance in saline media. Using carbonyl derivatives, the reductive alkylation didn’t allow to reach the corresponding ethers. A two-step strategy of acetalisation and hydrogenolysis was developed to reach good yields in ethers. The physico-chemical properties of these compounds are better than standard hydrotropes, but they are not sufficient for the targeted application. Thereby, functionalized glycerol ethers with a carboxylic acid have been synthesized. First, reductive alkylation led to glycerol mono-ethers in good yields. Then, acetalisation/hydrogenolysis cascade using ceto-ester enable the addition of carboxylic acid in good yields. Free hydroxyl group can be methylated using trimethylphosphate. This methylation process has been extended to other polyols (erythritol, pentaerythritol, glycerol, diglycerol, etc …). The permethylated products have been obtained in good yields, and the acid catalyst is a recyclable resin

L'analyse des profils de méthylation présente un grand intérêt car des altérations du méthylome sont impliquées dans de nombreuses pathologies. Le MeDIP (Methylated DNA ImmunoPrecipitation) immunoprécipite les séquences méthylées sur le génome entier, la plupart étant localisées dans les séquences répétées. De telles séquences sont difficiles à aligner après séquençage (MeDIP-Seq) et bon nombre d'entre elles ne peuvent donc être utilisées pour la suite des analyses. Nous présentons une méthode innovante appelée MeDIP-dep-Seq permettant de supprimer une quantité significative de plusieurs familles de ces éléments répétés (diminution d'un facteur de 300 au maximum) tandis que les séquences uniques d'intérêt ne sont pas affectées. Après séquençage sur un séquenceur de seconde génération (GAIIx, Illumina), le taux d'alignement est amélioré de façon conséquente permettant ainsi d'augmenter la quantité de séquences analysables. Nous avons également développé une plateforme d'analyse des données issues du MeDIP-Seq. De potentielles régions candidates identifiées par cette technique sur le génome entier peuvent ensuite être validées en utilisant des sélectors, sondes permettant la capture de régions génomiques d'intérêt. Nous avons introduit un traitement au bisulphite dans le protocole de sélection afin de développer un nouvel outil pour une analyse multiplexe. 98 loci ont été enrichis dans 6 échantillons puis séquencés en parallèle sur un séquenceur de paillasse (GS Junior, Roche). La combinaison de ces technologies permettra d'établir des cartes du méthylome et d'identifier des nouveaux biomarqueurs épigénétiques pour diagnostiquer et pronostiquer les cancers et maladies complexes.

La méthylation de l'ADN et les modifications post-traductionnelles des histones sont desmodifications épigénétiques qui interviennent dans la régulation des éléments transposables(ET) chez de nombreuses espèces. La proportion des ET dans les génomes varie selon lesespèces considérées et pose la question des mécanismes de régulation de ces ET. Au sein del'espèce Drosophila simulans, les populations naturelles présentent un polymorphisme uniquedans le nombre de copies des ET, ce qui en fait un excellent modèle pour étudier cettequestion. L'étude de la méthylation d'ADN et des modifications post-traductionnelles deshistones associées au rétrotransposon à LTR tirant dans la lignée germinale des populationsnaturelles a permis de montrer l'influence d'une copie d'ET sur la structure de la chromatineau site d'insertion. Dans un second volet, nous avons cherché à caractériser la méthylation del'ADN chez la drosophile, chez laquelle la fonction est encore mal connue. Nous avons, pardes approches spécifiques et globales, mesuré l'abondance de cette marque épigénétique chezla drosophile. Nous concluons que les taux de méthylation de l'ADN sont très faibles maisvariables entre espèces. Notre travail n'a pas permis de mettre en évidence un rôle de laméthylation de l'ADN dans le contrôle des ET, toutefois, nous ne pouvons pas exclure cesystème de régulation.

Au sein des tumeurs, y compris pour le carcinome hépatocellulaire (CHC), des sous-populations de cellules néoplasiques ont révélé une grande capacité à initier de nouvelles tumeurs et à induire des métastases. Les premières études sur ces cellules ont rapidement montré que la présence de ces cellules était déterminante dans le développement tumoral et elles ont donc été renommées " cellules souches cancéreuses " (CSCs). Malheureusement les mécanismes impliqués dans la maintenance de ces CSCs ne sont que partiellement compris. Par ailleurs dans le CHC un lien a été établi entre les signaux du facteur de croissance de transformation (Transforming Growth Factor, TGF-ß) provenant du microenvironnement tumoral et certaines populations de cellules cancéreuses dont la présence est corrélée à un faible pronostic. La façon dont TGF-ß peut ainsi établir et modifier un phénotype cellulaire dans le CHC reste néanmoins obscure. La méthylation de l'ADN étant un acteur majeur dans la mise en place des programmes cellulaires, notre but a été de caractériser le méthylome de CSCs hépatiques et son lien avec la capacité de TGF-ß à induire des CSCs. Nous nous sommes appuyés sur l'expression du marqueur CD133 pour définir la population de CSCs hépatiques. Afin comprendre l'importance des marques de méthylation de l'ADN dans les CSCs hépatiques, nous avons dans un premier temps déterminé quelle était la signature des cellules CD133+ au niveau de la méthylation de l'ADN en utilisant des puces de méthylation à grande échelle. Les sites CpG différentiellement méthylés ont montré un enrichissement pour d'une part des voies de signalisation déjà identifiées dans les CSCs et, d'autre part, pour des voies de signalisation associées au processus inflammatoire dont la voie TGF-ß/SMAD. Par la suite, nous avons montré que TGF-ß pouvait induire de façon permanente les cellules CD133+ contrairement à une autre cytokine influente dans le cancer du foie, l'interleukine 6. Cette augmentation de cellules CD133+ induite par TGF-ß est associée à des changements de méthylation de l'ADN sur l'ensemble du génome et qui sont, de plus, maintenus au cours des divisions cellulaires. La comparaison entre les deux méthylomes (liés aux cellules CD133+ et à l'action de TGF-ß) a exposé une signature commune significative indiquant que TGF-ß pourrait promouvoir le phénotype de CSC via le processus de méthylation de l'ADN. Mais nous avons également déterminé qu'une grande partie des effets sur la méthylation induits par TGF-ß était totalement indépendante de l'induction de cellules CD133+. Enfin, nous avons observé que les sites de méthylation sensibles au signal de TGF-ß étaient regroupés de façon significative au niveau de régions " enhancer " qui régulent la transcription des gènes. Par ailleurs, ces sites incluaient également des gènes précédemment identifiés comme cibles de TGF-ß mais aussi des gènes codant pour des acteurs épigénétiques de premier ordre comme les méthyltransférases de l'ADN. Ces résultats constituent la première description d'une signature de méthylation de l'ADN induite par TGF-ß permettant une reprogrammation stable vers un profil épigénétique de CSC hépatiques.

La betterave sucrière est une plante bisannuelle dont le besoin de vernalisation est absolu. Ce processus correspond à l'acquisition de l'aptitude à la montaison et à la floraison et résulte d'une exposition prolongée à de basses températures. La durée de froid requise pour induire la montaison puis la floraison varie suivant les génotypes et reflète leur tolérance à la montaison, qui constitue donc un caractère agronomique essentiel. Cette thèse visait à (i) mettre en évidence un éventuel contrôle épigénétique (méthylation ADN) de l'induction de la montaison chez des génotypes de betterave sucrière résistants ou sensibles à la montaison, (ii) identifier les séquences ciblées par des remaniements de méthylation de l'ADN et d'expression associés, et (iii) caractériser certaines séquences candidates en vue de leur utilisation comme marqueurs de la montaison. Nos travaux ont montré que l'amplitude et la cinétique des variations de méthylation de l'ADN observées au cours de la vernalisation semblent être des éléments critiques de l'induction et de la tolérance à la montaison. Par une approche ciblée, des séquences dont la méthylation de l'ADN est remaniée ont été identifiées. L'implication dans la transition florale de deux BvRNMT (RNA METHYLTRANSFERASES) et de la méthylation des ARN, tels que l'ARNm de BvFL1, un répresseur floral, a ainsi été mise en évidence chez la betterave sucrière. Enfin, grâce à une approche génomique, un réseau de gènes intégratif incluant la réponse à l'environnement, la signalisation hormonale et l'induction de la floraison a été identifié. La cinétique d'activation de ces gènes définirait le niveau de tolérance à la montaison des différents génotypes de betterave sucrière.

Les techniques d'assistance médicale à la procréation particulièrement l'induction de l'ovulation, la maturation in vitro des ovocytes et la culture embryonnaire prolongée impliquent la manipulation des gamètes ainsi que les embryons à des moments critiques de leur maturation et développement qui sont également des étapes clé du remodelage épigénétique. Par conséquent, elles pourraient interférer avec la reprogrammation épigénétique, en particulier la mise en place de la méthylation des gènes soumis a empreinte au cours de l'ovogenèse, ou son maintien au cours du développement préimplantatoire. Afin d'évaluer ce risque nous avons analysé le profil de méthylation de KvDMR1, qui régule l'expression de KCNQ1OT1, dans des ovocytes humains mûris in vivo ou in vitro, provenant de patientes stimulées ou non. Nos résultats montrent que la mise en place de la méthylation au niveau de KvDMR1 se poursuit au cours de la maturation de l'ovocyte du stade VG au stade MII, in vivo et in vitro et que l'induction ovarienne des patientes génère des ovocytes épigénétiquement immatures. Par ailleurs, l'étude de la méthylation de H19 DMR qui régule l'expression d'Igf2 et H19 dans des embryons d'ICSI, atypiques bloqués en culture prolongée et dans les spermes correspondants met en évidence une hypométhylation de l'allèle paternel et une méthylation de l'allèle maternel dans certains embryons, sans que l'on puisse établir de lien entre les dérégulations de l'empreinte et l'arrêt du développement au stade blastocyste.