La méthylation de l'ADN permet, via des remodelages de la chromatine et le recrutement de diverses protéines partenaires, de réguler l'expression des gènes. Des défaillances dans ces mécanismes de régulation peuvent modifier la susceptibilité individuelle face à certaines pathologies, notamment cardiovasculaires. Bien que les différents types cellulaires puissent avoir différents profils de méthylation, l'utilisation de l'ADN provenant de cellules sanguines permet de découvrir de nouveaux mécanismes physiopathologiques. Ce projet de thèse porte sur l'intérêt des analyses d'association méthylome entier comme stratégie alternative aux études d'association génome entier ("GWAS " en anglais) pour identifier de nouveaux déterminants moléculaires de biomarqueurs du risque cardiovasculaire. Pour cela, j'avais à ma disposition deux études épidémiologiques rassemblant 573 sujets pour lesquels les niveaux de méthylation de l'ADN issus du sang périphérique ont été mesurés par une puce à ADN de haute densité couvrant plus de 300 000 sites CpG.Le premier travail que j'ai réalisé a consisté en une étude du méthylome sanguin pour identifier des profils de méthylation associés à l'indice de masse corporelle. Cette étude a permis d'identifier des marques de méthylation de l'ADN au sein du gène HIF3A dont les augmentations sont associées à une augmentation de l'indice de masse corporelle (Lancet, 2014. 383(9933):1990-8). Ces résultats suggèrent en outre que des perturbations de la voie métabolique du gène HIF3A pourraient avoir un rôle important dans la réponse biologique à l'augmentation du poids. Dans un second travail (J Lipid Res, 2014. 55(7):1189-1191), j'ai montré que la variabilité inter individuelle des niveaux de méthylation sanguin du gène CPT1A était associée à la variabilité des taux lipidiques plasmatiques. Ce travail démontre qu'il est possible de détecter à partir d'échantillons sanguins des marques de méthylation de l'ADN qui pourraient être le reflet de mécanismes épigénétiques plus spécifiques de certains types cellulaires ou de certains tissus. Le gène CPT1A est par exemple principalement exprimé dans le foie.Au cours de mon travail de thèse, j'ai également étudié l'influence de la variabilité génétique sur les niveaux de méthylation de l'ADN sanguin (Am J Hum Genet, 2015. 96(4):532-42, Nat Commun, 2015. 6:6326). Cette étude a permis d'identifier près de 3 milles gènes dont les niveaux de méthylation sont associés à la présence de polymorphismes génétiques, localisés soit au sein de ces mêmes gènes (c.-à-d. effet cis) soit à une très grande distance (plus d'une mégabase voire sur un autre chromosome) (c.-à-d. effet trans). Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour mieux appréhender la régulation transcriptionnelle de diverses voies métaboliques. / DNA methylation regulates gene expression by chromatin reshaping and the recruitment of various partner proteins. Dysregulation in these regulatory mechanisms can influence the individual susceptibility to some pathologies, including cardiovascular disorders. Although different cell types can have different methylation patterns, the use of DNA from blood cells has recently been proposed as an interesting tool to discover new epigenetic related pathophysiological mechanisms. This PhD project focuses on the interests of the methylome-wide association analyses as an alternative strategy to the fashion genome-wide association studies ("GWAS ") approach to identify new molecular determinants of cardiovascular risk biomarkers. For my project, I had access to two epidemiological studies collecting together 573 subjects in which DNA methylation levels from peripheral blood cells were measured by a high density DNA microarray that covers more than 300 000 CpG sites.The first work I conducted consisted in a study of blood methylome to identify methylation profiles associated with body mass index. This study led to the identification of DNA methylation marks at the HIF3A gene whose increases are associated with an increase in body mass index (Lancet, 2014. 383(9933):1990-8). These results suggest that a disruption of the metabolic pathway HIF3A gene could have an important role in the biological response to the increase of the weight. In a second work (J Lipid Res, 2014. 55(7):1189-1191), I showed that the inter-individual variability in CPT1A methylation levels in blood were associated with variability of plasma lipid levels. This work demonstrates that it is possible to detect DNA methylation marks from blood samples that could reflect epigenetic mechanisms that occur primarily in specific cells or tissues. The CPT1A gene is for example mainly expressed in the liver.During my PhD, I also studied the influence of the genetic variability on the methylation levels from blood DNA (Am J Hum Genet, 2015. 96(4):532-42, Nat Commun, 2015. 6:6326). This work has identified nearly 3000 genes whose methylation levels are associated with the presence of genetic polymorphisms, located either within these same genes (ie cis effect) or at a very large distance (more than one megabase or to another chromosome) (ie trans effect). These results open new perspectives to better understand the transcriptional regulation of various metabolic pathways.

La caractérisation moléculaire de la réponse des plantes aux contraintes environnementales permet de mieux comprendre les bases de l’adaptation des plantes à leur milieu, et pourrait aider à l’amélioration des plantes cultivées. L’épigénome est constitué de l’ensemble des marques présentes sur la chromatine et participe à la régulation de l’expression du génome, notamment au cours du développement. Il contribue aussi à la stabilité des génomes, notamment en empêchant la transposition des éléments transposables (ET). L’épigénome varie en fonction des contraintes environnementales et une meilleure compréhension de ces variations pourrait permettre d’apporter une vision nouvelle de l’interaction entre la plante et son environnement. Cependant, l’étendue des modifications de l’épigénome, le type de séquences affectées et les mécanismes impliqués restent à déterminer. Dans ce cadre, j’ai analysé l’impact du froid sur le méthylome du maïs, une plante à génome complexe riche en ET. Dans un premier axe, j’ai analysé le méthylome d’un génotype sensible au froid, B73, par séquençage haut-débit d’ADN traité au bisulfite de sodium (BS-seq). Cette analyse comparative entre plantes « stressées » et « non stressées » a été menée (i) à l’échelle chromosomique, sans a priori sur le niveau de variation de méthylation de l’ADN et (ii) à l’échelle locale (régions différentiellements méthylées, ou « DMR ») en fixant des niveaux de variations forts (>10%). Ces deux types d’analyses ont permis de montrer que le froid déclenche une hyperméthylation à l’échelle du génome, à laquelle se superposent des hyper- et hypométhylations à l’échelle locale. Ces variations sont observées pour les trois contextes de cytosine et dans différentes régions génomiques associées aux gènes et aux ET. Ceci suggère l’activation parallèle de plusieurs mécanismes de régulation de la méthylation de l’ADN en réponse au froid. Dans un second axe, j’ai suivi ces DMR au cours du développement et dans la descendance afin d’étudier leur transmission, en lien avec leur localisation génomique et les contextes de cytosine affectés. Dans un troisième axe, j’ai étudié le lien entre variations de méthylation et sensibilité au froid en comparant la réponse du méthylome chez trois génotypes de maïs (B73, F2 et F331) présentant une réponse phénotypique contrastée pour ce caractère. / Molecular characterization of plant response to environnemental constraints allows to both better understand plant adaptation and help crop improvement. The epigenome is composed of chromatin marks and participates to the regulation of genome expression, notably through development. It is also involved in genome stability, essentially by preventing the transposition of transposable elements (TE). The epigenome can be modified by environmental cues and better understanding this variation could give new insights on the interaction between the plant and its environnement. However, the extent of this modification, targeted sequences and underlying mecanisms remain to be elucidated. In this context, I analyzed the impact of cold on the methylome of maize, a plant with a complex genome with high proportion of TEs. In a first part, I analyzed the methylome of a cold-sensitive genotype, B73, using whole genome bisulfite sequecing (BS-seq). This comparative analysis between “stressed” and “unstressed” plants was carried out (i) at the chromosome scale, without a priori definition of a DNA methylation difference and (ii) at a localized scale (Differentially Methylated regions, « DMRs ») using high minimum methylation difference rate (10%). These two types of analysis revealed that cold triggers hypermethylation at the genome scale, as well as. hyper-and-hypo-methylation at the local scale. These variations were observed in the 3 contexts of cytosine and occur in different genomic regions associated with genes and TEs. This suggests the parallel activation of different regulatory pathways in response to cold. In a second part, I focused on following-up methylation changes through development and in the progeny in conjunction with the genomic sequences and the cytosine context involved. In a third part, I studied the relationship between methylome variations and cold sensitivity by comparing the methylomes of three maize genotypes (B73, F2 and F331) with a contrasted phenotypic response to cold.

Les éléments transposables sont des séquences d'ADN qui ont la capacité de se déplacer dans le génome. Ils peuvent modifier l’architecture et la régulation du génome, et sont ainsi impliqués dans de nombreux désordres pathologiques, congénitaux ou acquis. L’analyse bioinformatique des éléments transposables dans les données de séquençage est la méthode de choix pour comprendre leur biologie. Mon travail de thèse a été dédié à cette question en utilisant des données réelles et simulées. Dans un premier axe, en utilisant un système cellulaire modulant le niveau de méthylation, nous avons révélé que différentes modifications chromatiniennes répressives assurent la mise sous silence des éléments transposables lorsque la méthylation de l’ADN est perdue. Dans un second axe, à l'aide d'une stratégie de mutagenèse aléatoire, nous avons découvert une nouvelle ADN méthyltransférase, spécialisée dans la méthylation des transposons jeunes au cours de la spermatogenèse. De par la nature répétée des éléments transposables, l'analyse des transposons dans les données de séquençage reste cependant un véritable défi. Finalement, dans un troisième temps, j’ai eu recours à une stratégie de simulation pour comparer les différentes méthodes d’alignement et de quantification dans les génomes murin et humain. J'ai ainsi pu élaborer des recommandations pour l'étude des éléments transposables et révéler les limites de détection de certaines familles de transposons. / Transposable elements are DNA sequences that have the ability to move in the genome. They can modify the architecture and the regulation of the genome, and be implicated in different pathological, congenital or acquired disorders. The transposon analysis with sequencing data is the first choice method to understand their biology. My thesis work was dedicated to this question using real and simulated data. In a first research axis, using a cellular system to modulate DNA methylation levels, we revealed that different repressive chromatin modifications ensure the silencing of transposable elements when DNA methylation is lost. In a second axis, using a random mutagenesis strategy, we discovered a new DNA methyltransferase, specialized in the methylation of young transposons during spermatogenesis. However, the analysis of transposons in sequencing datasets is a bioinformatic challenge because of the repeated nature of transposable elements. Eventually, in a third axis, using a simulation strategy applied to the mouse and the human genomes, I systematically compared different alignment and quantification tools. I was able to draw recommendations for the analysis of transposons and to reveal the limits in detecting specific transposons families.

De nombreuses études suggèrent que la maltraitance à l’enfance est un facteur de risque important lié à l’émergence de symptômes dépressifs à l’âge adulte. Toutefois, les mécanismes biologiques qui sous-tendent cette association demeurent méconnus. Ainsi, cette étude vise à examiner le rôle de la méthylation de l’ADN et de la réactivité au stress dans l’association entre les expériences de maltraitance à l’enfance et les symptômes dépressifs à l’âge adulte. L’échantillon est composé de 156 hommes âgés entre 18 et 35 ans. Les expériences de maltraitance et les symptômes dépressifs ont été mesurés à l’aide de questionnaires auto- rapportés. La sécrétion de cortisol, une hormone sécrétée en situation de stress, a été mesurée en réponse au Trier Social Stress Test. La méthylation de l’ADN de neufs gènes candidats (COMT, FKBP5, IL-6, IL-10, MAOA, NR3C1, OXTR, SLC6A3 et SLC6A4) a été quantifiée à l’aide du système Sequenom EpiTYPER suite à l’extraction de l’ADN salivaire. Les résultats indiquent que la méthylation de l’ADN n’explique pas l’association entre les expériences de maltraitance à l’enfance et les symptômes dépressifs à l’âge adulte et les associations sous-jacentes à l’effet indirect de la méthylation de l’ADN ne varient pas en fonction de la réactivité cortisolaire au stress. Néanmoins, les résultats de l’étude suggèrent que les expériences de maltraitance et les symptômes dépressifs sont associées à des changements dans les profils de méthylation de l’ADN. Enfin, ces résultats soulignent l’importance de réduire la prévalence de la maltraitance à l’enfance afin de limiter l’apparition de symptômes dépressifs à l’âge adulte. / Increasing evidence suggests that child maltreatment is a significant risk factor for the emergence of depressive symptoms in adulthood. However, the mechanisms underlying this association remain poorly understood. The present study examined the mediating role of DNA methylation and the moderating role of stress reactivity in the association between child maltreatment and depressive symptoms in emerging adulthood. The sample comprised 156 young male adults aged between 18 and 35 years. Maltreatment experiences and depressive symptoms were assessed using self-reported questionnaires. Cortisol, a hormone secreted in response to stress, was measured in response to the Trier Social Stress Test. DNA methylation of nine candidate genes (COMT, FKBP5, IL-6, IL-10, MAOA, NR3C1, OXTR, SLC6A3 et SLC6A4) was quantified using the Sequenom EpiTYPER technology after the extraction of salivary DNA. Results suggest that DNA methylation did not explain the association between child maltreatment and depressive symptoms in emerging adulthood, and that the associations underlying the mediating effect of DNA methylation did not vary according to the cortisol stress response. Nonetheless, the results suggest that maltreatment experiences and depressive symptoms are both associated with changes in DNA methylation profiles. Finally, these findings underscore the importance of reducing the prevalence of child maltreatment in order to limit the onset of depressive symptoms in emerging adulthood.

La protéine suppresseur de tumeurs p53 induit l'apoptose et l'arrêt du cycle cellulaire dans les cellules qui sont stimulées par divers stress cellulaires, dont le stress génotoxique. p53 maintient l'intégrité génomique, et ses fonctions sont les plus importantes pour la résistance à la tumorigenèse cellulaire. Des mutations de TP53, qui est le gène codant pour p53, sont fréquemment observées dans les tumeurs malignes. Comme l'apoptose n'est pas induite dans les cellules cancéreuses avec des mutations ou une délétion de TP53 en réponse à la radiothérapie ou au traitement par des agents anticancéreux, le pronostic de ces patients est très mauvais. En réponse au stress cellulaire, la p53 est stabilisée, tétramérisée et activée pour exercer des fonctions telles que l'activation de la transcription. Cette fonction est précisément régulée par des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, l'acétylation, l'ubiquitination et la méthylation de plus de 50 résidus. L'homotétramérisation de la protéine p53 par le domaine de tétramerisation (DT) à la région C-terminale est indispensable à sa fonction, et son activité transcriptionnelle est régulée par la stabilité de la structure tétramérique. Le domaine de tétramérization de la protéine p53 humaine est constitué d'un brin, d'un tour et d'une hélice et est en équilibre entre le monomère et le tétramère. La régulation par des modifications post-traductionnelles dans le domaine de la tétramérization n'est pas encore claire ; il est donc nécessaire d'élucider en détail le mécanisme de régulation par des modifications post-traductionnelles. La p53 est présente dans un large éventail d'organismes, de la lamproie, qui est un vertébré précoce, aux mammifères. Bien que le rôle de p53 soit important dans l'évolution des vertébrés, la fonction de p53 et le processus d'évolution de la structure tétramérique ne sont pas clairs. En plus de l'analyse phylogénétique de la séquence, une analyse complète de la structure et de la fonction est nécessaire. Le but de cette étude était de comprendre comment la stabilité de la structure tétramérique est modifiée par des modifications post-traductionnelles et comment la DT régule l'activité et la fonction de p53. À cette fin, j'ai exploré le mécanisme de régulation de la méthylation de l'Arg et l'évolution du domaine de tétramerisation de la p53 chez les vertébrés. Cette thèse comprend cinq chapitres. Le contexte et les objectifs de l'étude sont décrits dans une introduction générale au chapitre 1. J'ai décrit la fonction suppresseur de tumeur de p53, sa structure tétramérique et son évolution chez les vertébrés. Au chapitre 2, j'ai décrit le contrôle de la fonction par méthylation de la DT p53. La fonction de la p53 est régulée par des modifications post-traductionnelles, y compris la méthylation de trois résidus Arg dans la DT. Il a été rapporté que cette méthylation par la protéine Arg méthyltransférase 5 (PRMT5) favorise l'arrêt du cycle cellulaire, mais réprime l'apoptose. Pour clarifier le mécanisme de régulation par la méthylation, j'ai effectué une analyse de la stabilité de la structure du fragment p53 méthylé et un essai de méthylation in vitro avec la PRMT5. La méthylation des résidus Arg a déstabilisé la structure oligomérique, en particulier, Arg337 a largement contribué à la déstabilisation. J'ai identifié les sites de méthylation de PRMT5 en utilisant la CLN-SM/SM et j'ai révélé une cascade de méthylation qui a commencé par la monométhylation à l'Arg335. Ces résultats suggèrent un nouveau mécanisme de régulation via la modulation de la stabilité structurelle de la DT p53. L'affinité entre l'élément de réponse du gène cible et la protéine p53 semble être élevée avec les gènes d'arrêt du cycle cellulaire et faible avec les gènes pro-apoptotiques. Lorsque p53 se lie à un élément de réponse et contrôle la transcription, l'ADN se plie. On pense que même la protéine p53 méthylée et déstabilisée peut supporter la flexion des gènes d'arrêt du cycle cellulaire parce que l'affinité est élevée, mais ne peut supporter la flexion des gènes pro-apoptotiques. Au chapitre 3, j'ai décrit l'évolution de la stabilité structurelle de la DT p53 chez les mammifères. La séquence de la DT p53 des mammifères varie de 3 à 10 résidus au sein des espèces. J'ai synthétisé le fragment de 35 résidus de la DT p53 de l'humaine, de la musaraigne arboricole, du cobaye, du hamster chinois, du mouton et de l'opossum et j'ai analysé la thermostabilité de la structure oligomérique par spectrométrie DC. La musaraigne arboricole ressemble à un écureuil mais a été classée dans un ordre indépendant ; il y a eu des substitutions de seulement quatre résidus par rapport à la variante humaine, et sa structure oligomérique s'est avérée plus stable que celle de l'humain. En analysant les mutants, il a été déterminé que la substitution à l'origine de la stabilisation était du Met354 (Gln dans la version humaine). La modélisation de l'homologie de la structure tétramérique suggère que la chaîne latérale Met située dans l'hélice C-terminale a stabilisé la structure de l'hélice de l'extrémité par la chaîne latérale Met d'une autre chaîne protéique via de nouvelles interactions hydrophobes. Récemment, la musaraigne arboricole a attiré beaucoup d'attention, car les musaraignes arboricoles sauvages boivent régulièrement et sont sensibles à l'infection par l'hépatite B, dont on pensait qu'elle n'infectait que les chimpanzés et les humains. Elle est donc maintenant utilisée comme un modèle de primate. L'aldéhyde cause des dommages à l'ADN, et il a été suggéré que la musaraigne arboricole peut maintenir l'intégrité génomique grâce à son p53 stable. Au chapitre 4, j'ai décrit une analyse plus approfondie de l'évolution de la structure, de la stabilité et de la fonction de la DT p53 chez les vertébrés. En plus de l'analyse phylogénique de l'arbre, cette étude a analysé la structure, la stabilité et la fonction. L'analyse phylogénique a montré que la DT p53 des vertébrés avait une distance d'évolution plus longue que les DT de p63 et p73, qui sont des membres de la famille p53 qui forment un tétramère de la même manière. De plus, il a été révélé que le DT p53 est plus diversifié que le domaine de liaison à l'ADN (DBD). J'ai choisi 19 espèces dont des poissons sans mâchoires, des poissons cartilagineux, des poissons à nageoires de rayons, des poissons à nageoires de lobes, des Amphibia, des Reptilia, des oiseaux et des Mammifères. Bien qu'il y ait eu des substitutions de nombreux résidus, y compris chez la lamproie, le fragment DT a formé un tétramère chez toutes les espèces. J'ai effectué une analyse de la stabilité de la structure et une analyse de l'activité transcriptionnelle de la chimère p53. La lamproie avait une stabilité structurelle et une activité faibles, et les poissons comme le poisson-zèbre avaient une activité élevée en raison d'un effet de stabilisation de la deuxième hélice dans la région C-terminale. Cependant, l'espèce de Coelacanthe atteignant l'Homme dans le but d'avancer vers la terre a gagné une stabilité qui n'était élevée que dans la première hélice. Comme une mutation du DBD affecte directement la liaison avec l'ADN et que l'évolution du DT régule indirectement l'activité de p53, on pense que la stabilité de la structure tétramérique a évolué davantage que le DBD. Au chapitre 5, j'ai décrit la conclusion globale de cette étude. Pour comprendre le mécanisme de régulation in vivo, il est très important de clarifier le mécanisme de modulation de la stabilité de la structure tétramérique de p53. Dans cette étude, il a été déterminé que la stabilité structurelle est régulée par la méthylation de la DT p53. De plus, je propose que le modèle de contrôle du choix du gène cible utilise les différences d'affinité avec l'élément de réponse et l'ajustement de la stabilité de la structure tétramérique. En outre, outre l'analyse phylogénétique de la protéine, qui est exprimée chez le vertébré entier, j'ai effectué pour la première fois une analyse de la stabilité structurelle et fonctionnelle. Les résultats suggèrent que les vertébrés se sont adaptés à l'environnement grâce à la stabilité de la DT p53, et que la p53 a joué un rôle extrêmement important dans le processus d'évolution. / Tumor suppressor protein p53 induces apoptosis and cell cycle arrest in cells that are stimulated by a variety of cellular stresses including genotoxic stress. p53 maintains genomic integrity, and its functions are the most important for resistance to cellular tumorigenesis. Mutations of TP53, which is the p53-encoding gene, are frequently found in malignant tumors. Because apoptosis is not induced in cancer cells with mutations or deletion in TP53 in response to radiation therapy or treatment with anticancer agents, the prognosis of these patients is very poor. In response to cellular stress p53 is stabilized, tetramerized, and activated to exert functions such as transcription activation. This function is precisely regulated by posttranslational modifications such as phosphorylation, acetylation, ubiquitination, and methylation of more than 50 residues. Homotetramerization of the p53 protein through the tetramerization domain (TD) at the C-terminal region is indispensable for its function, and its transcriptional activity is regulated by the stability of the tetrameric structure. The TD of human p53 consists of a β-strand, turn, and α-helix and is in equilibrium between the monomer and tetramer. The regulation by posttranslational modifications in the tetramerization domain is still unclear; thus, detailed elucidation of the regulatory mechanism through posttranslational modifications is required. p53 is found in a wide range of organisms from Lamprey, which is an early vertebrate, to mammals. Though the role of p53 is important in the evolution of vertebrates, the function of p53 and the evolution process of the tetrameric structure are unclear. As well as phylogenetic analysis of the sequence, a comprehensive analysis of the structure and the function is required. The aim of this study was to understand how the stability of the tetrameric structure is changed by posttranslational modifications and how the TD regulates p53’s activity and function. To this end, I explored the Arg methylation regulatory mechanism and the evolution of the p53 tetramerization domain in vertebrates. This thesis consists of five chapters. The background of the study and the study goals are described as a general introduction in Chapter 1. I outlined the tumor suppressor function of p53, its tetrameric structure, and its evolution in vertebrates. In Chapter 2, I described the function control by methylation of the p53 TD. p53’s function is regulated by posttranslational modifications, including the methylation of three Arg residues in the TD. It has been reported that this methylation by protein Arg methyltransferase 5 (PRMT5) promotes cell cycle arrest, but represses apoptosis. To clarify the regulatory mechanism through methylation, I carried out structure stability analysis of the methylated p53 fragment and an in vitro methylation assay with PRMT5. The methylation of the Arg residues destabilized the oligomeric structure, in particular, Arg337 had a large contribution to the destabilization. I identified PRMT5 methylation sites using nLC-MS/MS and revealed a methylation cascade that started with mono-methylation at Arg335. These findings suggest a novel regulatory mechanism via structural stability modulation of the p53 TD. The affinity between the response element of the target gene and the p53 protein appeared to be high with pro-cell cycle arrest genes and low with pro-apoptotic genes. When p53 binds to a response element and controls transcription, the DNA bends. It is thought that even methylated and destabilized p53 can endure bending of pro-cell cycle arrest genes because the affinity is high, but cannot bear bending of the pro-apoptotic genes. In Chapter 3, I described the evolution of the structural stability of the p53 TD in mammals. The sequence of the mammalian p53 TD varies in 3–10 residues within species. I synthesized the 35-residue fragment of the p53 TD of human, tree shrew, guinea pig, Chinese hamster, sheep, and opossum and analyzed the thermostability of the oligomeric structure using CD spectrometry. The tree shrew resembles a squirrel but classified independent order; there were substitutions of only four residues in comparison with the human variant, and its oligomeric structure has been shown to be more stable than the human one. By analyzing the mutants, it was determined that the substitution causing the stabilization was of Met354 (Gln in the human version). The homology modeling of the tetrameric structure suggests that the Met side chain located in the C-terminal α-helix stabilized the helix structure of the end through the Met side chain of other protein chain via new hydrophobic interactions. Recently, the tree shrew has attracted a lot of attention, as wild tree shrews drink routinely and are susceptible to hepatitis B infection, which has been thought to infect only chimpanzees and humans. Thus, it is now used as a primate-like model. Aldehyde causes DNA damage, and it has been suggested that the tree shrew can maintain genomic integrity because of its stable p53. In Chapter 4, I described more extensive analysis of the evolution of the structure, stability, and function of the p53 TD in vertebrates. As well as phylogenic tree analysis, this study analyzed structure, stability, and function. The phylogenic analysis showed that the p53 TD of vertebrates had a longer evolution distance than the TDs of p63 and p73, which are p53 family members that formed a tetramer in the same way. In addition, it was revealed that the p53 TD is more diversified than the DNA-binding domain (DBD). I chose 19 species including jawless fish, cartilaginous fish, ray-finned fish, lobe-finned fish, Amphibia, Reptilia, birds, and Mammalia. Though there were substitutions of many residues including in Lamprey, the TD fragment formed a tetramer in all species. I carried out structure stability analysis and transcriptional activity analysis of chimeric p53. Lamprey had low structural stability and activity, and fish such as Zebrafish had high activity due to a stabilization effect of the second helix in the C-terminal region. However, the Coelacanth species reaching Human aiming at an advance to the land gained stability that was high only in the first helix. Because a mutation in the DBD directly affects binding with DNA and the evolution of the TD regulates the activity of p53 indirectly, it is thought that the stability of the tetrameric structure evolved more than the DBD. In Chapter 5, I described the all-inclusive conclusion of this study. To understand the regulatory mechanism in vivo, it is very important to clarify the stability modulation mechanism of the p53 tetrameric structure. In this study, it was determined that structural stability is regulated by the methylation of the p53 TD. Furthermore, I propose that the target gene choice control model uses the differences in the affinity with the response element and adjustment of the tetrameric structure stability. Furthermore, as well as phylogenetic analysis of the protein, which is expressed in the whole vertebrate, I performed structural stability and functional analysis for the first time. The results suggest that vertebrates adapted to the environment via the stability of the p53 TD, and p53 played an extremely important role in the evolution process.

Contexte et objectif : Plusieurs facteurs de risque de cancer ont été identifiés et il a été estimé que plus de 40% des cas dans les pays développés pourraient être évités en modifiant les facteurs de risque connus. L'objectif général de cette thèse était de démontrer que l’intégration de données génomiques et épigénomiques aux données détaillées sur les expositions environnementales et le mode de vie peut être utile pour identifier des biomarqueurs de ces facteurs et contribuer à augmenter notre connaissance de l'étiologie du cancer. Résultats : Dans un premier temps, nous décrivons comment les signatures génomiques et épigénomiques peuvent être utilisées pour identifier des marqueurs d’exposition et déchiffrer l’étiologie du cancer. Ensuite, nous contribuons au débat relatif à l’hypothèse de la chance dans le développement du cancer et démontrons que les mutations induites par le tabagisme sont plus prédictives du risque de cancer que les mutations aléatoires. Nous introduisons un modèle probabiliste pour la simulation de données mutationnelles et comparons la performance des outils d’identification de ces signatures avec des données réelles et simulées. De plus, nous introduisons une nouvelle méthode pour l’identification des signatures mutationnelles. Enfin, nous utilisons les données de méthylation de la cohorte E3N pour étudier le lien entre l'exposition aux retardateurs de flamme bromés et aux composés perfluorés, deux substances classées parmi les perturbateurs endocriniens, et la méthylation de l’ADN sanguin. Globalement, notre étude ne fournit aucune preuve d'altérations globales du méthylome ou d'altérations à l’échelle des CpGs. Cependant, certains résultats suggèrent l’existence d'altérations de la méthylation de gènes impliqués dans des voies biologiques (ex., la réponse aux androgènes) et nécessitent des recherches supplémentaires.Conclusion : Ce travail contribue à la recherche méthodologique portant sur les signatures mutationnelles en introduisant un protocole de mesure de performance et d’identification des signatures mutationnelles pouvant servir de référence à de futures études méthodologiques ou appliquées. Nos recherches sur les signatures mutationnelles et le méthylome démontrent l'utilité de tels outils pour évaluer les expositions et élucider leur rôle dans l'étiologie du cancer. / Context and aim: Several risks factors have been identified for cancer, and it has been estimated that more than 40% of cases in developed countries are preventable through the modulation of known modifiable risk factors. The overall objective of this thesis was to demonstrate that the analysis of genomic and epigenomic data integrated with well-characterised exposure and lifestyle data may be used to identify markers of environmental exposures and lifestyle and may contribute to increase our understanding of cancer aetiology.Results: We first describe how genomic and epigenomic signatures can be used to identify markers of exposure and decipher the aetiology of cancer. Then, we adopt the mutational signatures framework to contribute to the debate about the “bad luck” hypothesis for cancer and demonstrate that tobacco-related mutations are more strongly correlated with cancer risk than random mutations. We introduce a probabilistic model for the simulation of mutational signature data and compare the performance of the available methods for the identification of mutational signatures using both simulated and real data. Additionally, we introduce a new method for the identification of such signatures. Finally, we use methylation array data in an epidemiological study within the E3N cohort to investigate the association between exposure to Brominated Flame Retardants and Per- and polyfluoroalkyl substances, two organic pollutants that are known endocrine disrupting chemicals, and methylation in DNA from blood. Overall, our study does not provide evidence of methylation alterations at the level of the whole genome, in regions or in single CpGs. Suggestive evidence of alterations in the methylation of genes within plausible biological pathways (e.g. androgen response) warrants further investigations. Conclusion: Our work on the methodological aspects of mutational signature research introduces an original framework for measuring the performance of tools for the identification of mutational signatures that may serve as reference for future methodological or applied research. Our applications of both mutational signature and methylome research demonstrate the usefulness of such tools to assess exposures and elucidate their role in cancer aetiology.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Ce mémoire présente la synthèse diastéréosélective de dérivés méthylés du fucose en position 2 et 3, ainsi que la synthèse d'analogues du sialyl Lewis X. Ces ligands, spécifiques aux sélectines, serviront d'outils biochimiques et pharmacologiques pour vérifier l'importance des sélectines dans la modulation du processus inflammatoire. Les synthèses totales qui sont présentées utilisent différentes méthodes chimiques modernes. Dans un premier temps, les positions 2 et 3 du fucose sont isolées à l'aide de groupements protecteurs. Les techniques utilisées impliquent la chimie des acétals et des acétals d'étain. En second lieu, les groupements hydroxyles isolés en position 2 et 3 du fucose sont oxydés en cétones, puis convertis en méthylènes. Les réactions étudiées sont la méthylation de ces cétones et aussi l'époxydation de ces méthylènes l'ouverture des époxydes obtenus conduisant à des fucoses méthylés. Le contrôle stéréochimique des réactions de méthylation est fait par chélation et aussi à l'aide d'acides de Lewis encombrés. Les époxydations sont éffectuées avec des peroxydes, des peracides et des dioxyranes pour vérifier la stéréosélectivité de ces réactifs sur les substrats étudiés. Les couplages glycosidiques sont réalisés avec des thiofucosides et aussi avec des trichloroacétimidates. La stéréochimie du carbone anomère est régie par les mécanismes de la paire d'ions et la participation du groupement voisin. Enfin, les composés synthétisés sont testés pour déterminer leur activité dans un test in vitro consistant en une inhibition de l'adhésion de cellules tumorales HL-60 sur les sélectines E et P.

A l'interface de la génétique et de l'environnement, l'épigénétique contribue à la diversité phénotypique. Déterminer l'impact de la variation épigénétique sur les caractères quantitatifs (QT) est un nouveau défi. La croissance staturale fournit l’opportunité d’étudier la variabilité de plusieurs traits phénotypiques liés entre eux : des QT cliniques (la taille, l’accélération de la vitesse de croissance en réponse à l'hormone de croissance, GH) et des QT biologiques tels que la concentration d’IGF1 et la réponse de cette concentration à la GH. L’ « Insulin-like Growth Factor 1 » (IGF1) contrôle la croissance postnatale chez les mammifères, y compris l'homme. Nous l’avons choisi comme locus candidat pour nos études épigénétiques. Nous avons quantifié la méthylation des deux promoteurs P1 et P2 de ce gène, qui régulent son expression. Notre objectif était d’évaluer la contribution de la méthylation d’ADN de ces promoteurs i) à la taille des enfants en croissance, ii) à l’IGF1 circulant, iii) et à la réponse de ces paramètres à un traitement par la GH. Taille et IGF1 circulant. La relation entre la méthylation des promoteurs d’IGF1 et la taille a été étudiée au sein de deux cohortes du service d'endocrinologie pédiatrique, totalisant 216 enfants prépubères de différentes statures. Nous avons montré que la méthylation d'un groupe de six CGs situés dans la partie proximale du promoteur P2 du gène IGF1 présentait une corrélation inverse avec la croissance et l'IGF1 circulant. Les enfants les plus grands sont ainsi moins méthylés sur ces CGs que les enfants de petite taille. La contribution de la méthylation à la variance de la taille a été évaluée à environ 13%, et à 10% pour la variance de l'IGF1 sérique. Pour montrer que l’association observée reflète une causalité biologique, nous avons étudié le lien entre la méthylation des promoteurs P1 et P2 et l'activité transcriptionnelle du gène IGF1 in vivo et in vitro. Nous avons montré que les quantités de transcrits de classe II, issus du promoteur P2, sont inversement corrélés à la méthylation du promoteur P2 dans les cellules sanguines mononucléées. In vitro, nous avons cloné le promoteur P2 déméthylé ou méthylé dans un plasmide rapporteur (luciferase) transfecté dans la lignée HEK293 : le promoteur déméthylé s’est révélé nettement plus actif (+57%). Finalement, nous suggérons que l’hyperméthylation de certains CGs du P1 et du P2 d’IGF1 pourrait être un des nombreux mécanismes moléculaires responsables d’une moindre expression du gène et d’un phénotype de petite taille. La réponse au traitement par la GH. Une fraction des enfants de petite taille est traitée par l'hormone de croissance (GH) pour accélérer sa croissance, mais l’efficacité du traitement est très variable entre les individus. Les causes de cette variabilité sont partiellement comprises : la génétique joue un rôle, mais il reste une place possible pour la variabilité épigénétique. Dans ce but, nous avons étudié l'effet direct de la variabilité épigénétique sur la transcription du gène IGF1 et l’IGF1 circulant, dans un test aigu d’administration de GH, puis sur la réponse thérapeutique à un traitement d’un an par la GH. Après une injection de GH, nous avons constaté une augmentation variable du nombre de transcrits d’IGF1 chez les enfants étudiés. L'augmentation des transcrits de la classe II était inversement corrélée à la méthylation des CGs du P2. La variabilité de méthylation au CG-137 contribuait pour 20% à 67% de l’expression d’IGF1 en réponse à la GH. Chez 136 enfants de petite taille, nous avons montré que la méthylation de l'ADN du promoteur P2 était associée à la réponse au traitement par la GH au cours de la première année. Cette association est observée pour l'augmentation de la vitesse de croissance et pour les taux d’IGF1. (...) / At the interface of genetics and environment, epigenetics contributes to phenotypic diversity. Quantifying the impact of epigenetic variation on quantitative traits (QT), an emerging challenge in humans. Growth provides a handset of quantitative traits to epigenetic studies. We studied the variability of several inter-related QTs: clinical QTs (height, height reponse to growth hormone and biological QT (serum IGF1 and serum IGF1 response to GH). Since insulin-like growth factor 1 (IGF1) controls postnatal growth in mammals including human, we tested whether the CG methylation of the two promoters (P1 and P2) of the IGF1 gene could be a epigenetic contributor to the individual variation i) in circulating IGF1 and stature in growing children. ii) on response of these parameters to treatment with (GH). Child height and circulating IGF1. To explore the relation between IGF1 promoter methylation and height, we studied two cohorts of pedriatric endocrinology department, totalling 216 prepubertal children with various statures. The methylation of a cluster of six CGs located within the proximal part of the IGF1 P2 promoter showed a strong negative association with serum IGF1 and growth. These correlations were observed in two cohorts of growing children. Tall children show lower levels of methylation in several CGs in P2 and P1 promoters of IGF1 gene than short children with idiopathic short stature. CG methylation contributed 13% to the variance of height and 10% to the variance of serum IGF1. To test if the found association reflected biological causality, we tested if methylation at the P2 promoter affects the transcriptional activity of the IGF1 gene. The transcriptional activity of the P2 promoter was inversely correlated with the CG methylation in mononuclear blood cells. We established that high levels of CG methylation at the two promoters of IGF1 contributed to the many molecular mechanisms responsible for “idiopathic” short stature. Response to treatment with (GH). Short children using growth hormone (GH) to accelerate their growth respond to this treatment with a variable efficacy. The causes of this individual variability are partially understood and could involve epigenetics. In this aim, we investigated the contribution of DNA methylation to the response to GH at two levels: direct effect of GH on transcription of IGF1 gene, on circulating IGF1 and on the growth response to GH. Following a GH injection, we found a variable increase in IGF1 transcripts across the studied children. The increase in P2-driven transcripts showed a strong inverse correlation with 4/8 of P2 CGs. Among the CGs of P1 promoter, only CG-611 showed an inverse correlation with P1-driven transcripts. Variability of DNA methylation in these CGs contributes with 27% to 67% of increase in transcripts. In 136 children with idiopatic short stature, we showed that DNA methylation of the P2 promoter is associated with growth response to GH during the first year of GH administration, for both increment in growth rate and circulating IGF1. CG-137 methylation of P2 promoter contributes 25% to variance of growth response to GH. The link between DNA methylation and the response to a treatment in humans illustrating the role of epigenetic marks as potent contributors to conclusion « pharmacoepigenetics». Our work can find application in growth physiology and therapeutics, as well as for studies in aging, longevity or cancer where IGF1 has a prominent role.

Des changements de méthylation de l'ADN peuvent affecter l'expression des gènes et pour certains être transmis au travers des générations. De telles " épimutations " qui concernent des groupes de cytosines à proximité ou dans les gènes sont donc une source potentielle de variation phénotypique héritable en absence de changements de la séquence de l'ADN. Chez les plantes la méthylation de l'ADN est cependant principalement observée au niveau des séquences répétées. Il reste à déterminer dans quelle mesure les changements de méthylation au niveau de ce type de séquences peuvent être héritées et affecter les phénotypes. Afin de répondre à ces questions, plus de 500 épiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) quasi-isogéniques a été générée chez Arabidopsis thaliana. Cette population a été obtenue par le croisement d'un parent sauvage et d'un parent mutant pour le gène DDM1 présentant une très forte réduction du taux de méthylation de l'ADN. Après un rétrocroisement de la F1 avec une plante sauvage, les individus sauvages pour le gène DDM1 ont été sélectionnés et propagées sur 6 générations par autofécondation. Nous avons montré par l'analyse du méthylome de plus de 100 épiRIL que l'hypométhylation induite par ddm1 présente selon les séquences affectées différents degrés de transmission au travers des générations. La réversion de l'hypométhylation concerne des régions associées à une abondance élevée en sRNA de 24 nt. Nous avons utilisé l'hypométhylation stablement transmise dans les épiRIL induite par ddm1 afin de détecter des QTL (Quantitative Trait Loci) affectant le temps de floraison et la longueur de la racine primaire, deux caractères pour lesquels les variations observées dans les épiRIL présentent une héritabilité importante. En dernier lieu, nous avons recherché par différentes approches les variations causales de ces QTL.

Résumé : L’obésité est un enjeu de société de première importance; elle est un facteur de risque de plusieurs maladies et engendre d’importantes dépenses en santé. Outre l’alimentation, la sédentarité et les prédispositions génétiques, il semble que l’environnement fœtal soit un facteur déterminant dans le développement de l’obésité. En effet, il a été démontré que les nouveau-nés exposés à un environnement intra-utérin défavorable ont un risque accru de développer, à l’adolescence et à l’âge adulte, l’obésité ainsi que les désordres métaboliques qui y sont associés. Le diabète gestationnel (DG) est l’une des complications de santé maternelle les plus fréquentes et est associé à un risque accru à long terme pour la santé métabolique de l’enfant. Malgré les nombreuses données probantes épidémiologiques concernant le phénomène de la programmation fœtale associée au DG, les mécanismes moléculaires impliqués ont été très peu étudiés. Il est cependant de plus en plus évident que l’épigénétique soit l’un de ces mécanismes. Cette thèse a pour objectif d’identifier les changements de méthylation de l’ADN, la modification épigénétique la plus stable et la plus connue, chez les nouveau-nés exposés in utero au DG. Dans un premier temps, la méthylation de l’ADN de 44 échantillons de placenta et de sang de cordon a été analysée à l’échelle du génome. Cette approche a permis de démontrer que les gènes épigénétiquement modifiés suite à une exposition au DG sont majoritairement retrouvés dans les voies biologiques associées aux maladies métaboliques. Des analyses dans une cohorte indépendante (n=80) ont confirmé l’effet de la glycémie maternelle sur la méthylation de l’ADN des gènes BRD2, LRP1B et CACNA1D impliqués dans la régulation du métabolisme des lipides et du glucose et du système rénine-angiotensine respectivement. Dans un second temps, l’approche par gènes candidats a démontré que l’exposition au DG est associée à la méthylation de l’ADN de gènes du métabolisme des lipides (LPL et ABCA1) du placenta. L’analyse de la méthylation de la LEP et de l’ADIPOQ dans le sang et les tissus adipeux de sujets sévèrement obèses a permis d’identifier des sites de méthylation pouvant potentiellement être utilisés dans le sang comme marqueur de susceptibilité à l’obésité. L’ensemble des résultats de cette thèse démontrent que le DG modifie le profil épigénétique de gènes impliqués dans les voies biologiques des maladies métaboliques (métabolisme énergétique et des lipides) et supportent l’importance de la méthylation de l’ADN dans la programmation de la santé métabolique du nouveau-né ayant été exposé in utero au DG. / Abstract : Obesity has reached epidemic proportions worldwide in both adult and childhood populations and is now recognized as a major public health issue. Obesity is associated with higher incidence of cardiometabolic complications including type 2 diabetes (T2D), dyslipidemia and hypertension as well as with increased health care costs. The fetal environment now appears, with genetics and the environment, as one cause of the obesity epidemic. Indeed, according to the fetal programming hypothesis, newborns exposed to a detrimental fetal environment are more susceptible to develop obesity, T2D and other related chronic disorders when they become teenagers or adults. Many studies have associated gestational diabetes mellitus (GDM) exposure with these long-term metabolic health risks for the newborn. Although, numerous studies show epidemiological evidence to support the fetal programming hypothesis, only a few studies have been undertaken to understand the underlying molecular mechanisms. However, several studies now suggest that epigenetics may be involved. The objective of this thesis is to study changes in DNA methylation, the more stable and studied epigenetic system, in newborns that have been exposed to GDM in utero. First, a genome-wide DNA methylation analysis (BeadChip) was performed in a sample set of 44 placenta and cord blood samples to identify genes and metabolic pathways dysregulated by GDM. This approach showed that genes epigenetically affected by GDM are predominantly involved in metabolic diseases. The associations between maternal glycemia and DNA methylation levels were confirmed, in an independent birth cohort, for BRD2, LRP1B and CACNA1D gene loci involved in the regulation of lipid and glucose metabolism and the renin-angiotensin system respectively. Then, using a candidate gene approach we reported that DNA methylation levels at gene loci involved in lipid metabolism (LPL and ABCA1) are modified in the placenta following exposure to GDM. Furthermore, analyses of LEP and ADIPOQ DNA methylation levels in blood and adipose tissues of severely obese men and women allowed the identification of CpG sites that might be used in blood as a marker of obesity susceptibility. Altogether the results of this thesis show that GDM affects the epigenetic signature of genes involved in metabolic disease pathways (energy and lipid metabolism) and support the role of DNA methylation in metabolic health programming of the newborn exposed to GDM.