Les mécanismes épigénétiques sont apparus comme fondamentaux au cours de la tumorigenèse, où l’inhibition des gènes suppresseurs de tumeurs et d'autres gènes associés aux cancers peut être causée non seulement par des facteurs génétiques, mais aussi épigénétiques. La réversibilité intrinsèque et l'ubiquité des modifications épigénétiques ainsi que leurs apparitions précoces dans de nombreux cancers en font une cible attractive pour la découverte de biomarqueurs et l’élaboration de stratégies pour la prévention du cancer. Afin d'identifier les événements épigénétiques impliqués dans la cancérogenèse et d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes, nous avons utilisé des méthodes quantitatives permettant de déterminer les profils de méthylation de l'ADN au sein d’un panel de gènes associés au cancer. Ces travaux ont principalement été effectués sur des cas de cancer du poumon et des contrôles. Nos analyses ont révélé une fréquence élevée et anormale d’hyperméthylation de l’ADN au niveau de gènes spécifiques dans les tumeurs pulmonaires par rapport aux tissus environnants non-tumoraux. Ces résultats sont en accord avec l'hypothèse établie qu’une méthylation aberrante de l'ADN se produit d’une manière tumeur-spécifiques et au niveau de certains gènes. Nous avons montré une association entre les changements de méthylation de l’ADN des gènes et certains facteurs environnementaux connus pour être des facteurs de risque (tels que le tabagisme et la consommation d’alcool). Nos résultats suggèrent également que les caractéristiques clinico-pathologiques tels que l'âge et le sexe peuvent influencer les niveaux de méthylation de l’ADN. Nous avons étudiés les conséquences moléculaires de l’inactivation des gènes ayant une hyperméthylation anormale dans les tumeurs et nous avons montré que leur dérégulation par voie épigénétique compromettait des voies de signalisation importantes (telles que les voies de signalisation déclenchant la mort cellulaire) / Epigenetic changes have emerged as key mechanisms in fpment. The main events associated with cancer development and progression such as silencing of tumor suppressor genes and activation of proto-oncogenes can be caused not only by genetic but also by epigenetic deregulation. The intrinsic reversibility and ubiquity of epigenetic changes as well as their early appearances in virtually all types of human cancer make them attractive subjects for biomarker discovery and strategies for cancer prevention. In order to identify critical epigenetic events involved in common human cancers and to gain a better mechanistic understanding of them we have applied quantitative profiling of DNA methylation states in a panel of cancer-associated genes in large case-control studies of lung cancer. Our analyses revealed a high frequency of aberrant hypermethylation of specific genes in lung tumors as compared to surrounding non-tumor tissues, consistent with the notion that aberrant DNA methylation occurs in a tumor-specific and gene-specific manner. Importantly, we have identified specific DNA methylation changes that are associated with the established and suspected risk factors (such as tobacco smoking and alcohol intake). Our results also indicated that clinicopathological features such as age and gender may also influence DNA methylation levels. Furthermore, we have carried out functional studies and identified possible underlying mechanisms and functional impact of deregulated methylation-mediated silencing of the genes under study on cellular processes (such as cell death response)

Les protéines à « Methyl-CpG-binding domain » (MBD) jouent un rôle important dans l’interprétationde la méthylation de l’ADN conduisant à la répression transcriptionnelle via le recrutement decomplexes remodelant la chromatine. Dans les cancers, MBD2 jouerait un rôle essentiel dans la perted’expression des gènes hyperméthylés. Ainsi, MBD2 serait une cible potentielle pour rétablir, enpartie au moins, leur expression. Caractériser, à l’échelle du génome, la distribution de MBD2 et sesconséquences sur la répression transcriptionnelle au cours de la cancérogenèse est donc une étapeincontournable. (1) L’impact sur l’expression génique de l’inhibition de MBD2 par interférence àl’ARN, a été étudié en utilisant des puces, dans des cellules normales MRC5. La perte de MBD2n’induit pas de surexpression génique globale et la densité en CpG des promoteurs méthylés sembleêtre une composante importante dans la force de répression par MBD2. (2) Les profils de méthylationde l’ADN, de liaisons de MBD2 et de l’ARN polymérase II dans les cellules HeLa ont été analysés parChIP-on-chip avec des puces promoteurs. Ces mêmes approches couplées à l’analyse de l’acétylationdes histones H3 ont été réalisées dans un modèle cellulaire syngénique de progression tumoralemammaire humain. Dans les modèles étudiés, une forte proportion de gènes silencieux et méthylés estliée par MBD2. Les comparaisons entre cellules immortalisées et transformées ne montrent pas dechangements majeurs de la méthylation de l’ADN ou de la répression transcriptionnelle, par contreune redistribution de MBD2 parmi ces sites est observée, suggérant une redondance entre les protéinesliant l’ADN méthylé. / The Methyl-CpG-Binding Domain (MBD) proteins represent key molecules in the interpretation ofDNA methylation signals leading to gene silencing through recruitment of chromatin remodelingcomplexes. In cancer, a member of this protein family, MBD2, seems to play an important role in theloss of expression of aberrantly methylated genes. Thus, MBD2 may be a potential target toreestablish their expression. Mapping of MBD2 binding sites and the relationship between MBD2binding and transcriptional activity was, therefore, a crucial step. (1) We investigated the impact ofMBD2 inhibition by RNA interference on gene expression, using microarray analysis, in a normalhuman fibroblastic cell line, MRC-5. MBD2 depletion did not induce global gene overexpression andCpG density of the methylated promoters seems to be an important parameter in the strength of thetranscriptional repression mediated by MBD2. (2) Global profiling for different layers of epigeneticmodifications (DNA methylation, MBD2 association) and RNA polymerase II binding sites in HeLacells was analyzed by a ChIP-chip method using human promoter arrays. This approach, combinedwith an analysis of H3 histone acetylation patterns, was performed in a syngenic model of breastcancer progression. In the models analyzed MBD2 appeared to be a true methylation-dependenttranscriptional repressor. Furthermore, MBD2 binds to a high proportion of methylated silent genes.Comparisons between immortalized and transformed cells did not indicate major changes of DNAmethylation or gene silencing, while a redistribution of MBD2 among these sites was observed,suggesting a redundancy between methylated binding proteins.

Chez les plantes et les mammifères, la méthylation de l’ADN est une modification chromatinienne qui joue un rôle pivot dans le maintien de l’intégrité des génomes, notamment au travers de l’extinction épigénétique des éléments transposables (ET). Cependant, dans la mesure où la désamination spontanée des cytosines méthylées, qui peut conduire à des transitions C>T, est plus fréquente que celle des cytosines non méthylées, la méthylation est également intrinsèquement mutagène. Cette mutabilité accrue est de fait très certainement à l’origine de la déplétion en dinucléotides CpG observée dans les génomes de mammifères, naturellement méthylés à ces sites sauf au sein des «îlots CpG». A l’exception de cet effet bien connu, aucune étude à ce jour n’a exploré directement et de façon exhaustive l’impact de la méthylation sur le spectre des mutations spontanées. Dans ce travail, je tire profit d’une population de lignées epiRIL (epigenetic recombinant inbred lines) établie chez la plante Arabidopsis pour évaluer à l’échelle du génome l’impact de la méthylation de l’ADN sur le paysage mutationnel. Les epiRILs dérivent du croisement entre deux parents quasi- isogéniques, l’un sauvage et l’autre porteur d’une mutation conduisant à une réduction de 70% de la méthylation du génome, et il a pu être mis en évidence que des différences parentales de méthylation pouvaient être héritées de façon stable pour >1000 régions le long du génome. Au moyen de données de séquençage disponibles pour >100 epiRIL, j’ai effectué la caractérisation exhaustive des variants ADN (autres qu’ET) uniques à chaque lignée mais également en ségrégation parmi les epiRIL, ce qui constitue à terme une ressource pour les différentes équipes qui utilisent cette population. En analysant le patron de variants uniques, j’ai mis en évidence une réduction spécifique du taux de transitions C>T en lien avec l’hypométhylation stable dans les epiRIL. J’ai aussi pu décrire que si la remobilisation extensive des ET dans cette population a modelé le spectre des insertions et délétions ponctuelles, elle ne se traduit pas pour autant par des réarrangements récurrents. Je présente également les développements méthodologiques mis en place afin d’effectuer la caractérisation de QTL (quantitative trait loci) “épigénétiques” préalablement identifiés dans la population. / In both plants and mammals, DNA methylation plays a pivotal role in ensuring proper genome function and integrity, notably through the epigenetic silencing of transposable elements (TEs). However, as spontaneous deamination of 5- methylcytosine (5mC), which can lead to C>T transitions, is more frequent than that of unmethylated C, DNA methylation is also inherently mutagenic. This higher mutability of 5mC has indeed been proposed to explain the depletion in CpG dinucleotides in mammalian genomes, which are typically methylated at these sites except in socalled CpG islands. Despite this well-characterized effect of DNA methylation, we still lack a comprehensive view of its impact on the whole mutation spectrum in any given organism. Here, I take advantage of a population of so-called epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs) established in the flowering plant Arabidopsis thaliana to investigate the impact of DNA methylation on the spectrum of spontaneous mutations genome wide. The epiRIL population derives from a cross between a wild-type individual and a near-isogenic mutation deficient in DNA methylation, and it could be shown that parental differences in DNA methylation are stably inherited for at least 8 generations over >1000 regions across the genome. Building on whole-genome sequencing data available for >100 epiRILs, I performed a thorough characterization of non- TE DNA sequence variants that are either private to one line or segregating in the population, therefore establishing a resource for research groups that make use of the epiRIL population. Based on the pattern of private variants, I show a specific reduction in the rate of C>T transitions in the epiRILs, in line with the heritable hypomethylation in this population. I also describe that the extensive TE remobilisation at play among the epiRILs shapes the spectrum of short insertions and deletions yet does not translate into recurrent large-scale mutation events. On another note, I also present methodological developments aimed towards the identification of causal (epi)variants underlying so-called “epigenetic QTL” (quantitative trait loci) previously described in the epiRIL population.

Afin de protéger durablement les écosystèmes face aux rejets planifiés ou accidentels de radionucléides dans l’environnement, il est essentiel d’évaluer l’impact de l’exposition des organismes aux radiations ionisantes sur le long terme, à l’échelle de plusieurs générations. Dans ce contexte, ce travail de doctorat vise à améliorer la caractérisation des processus moléculaires et la prédiction des effets transgénérationnels lors d’une exposition aux radiations gamma. Une approche expérimentale concerne l’étude des modifications épigénétiques radio-induites, c’est-à-dire des modifications des mécanismes régulant l’activité des gènes sans modification de la séquence d’ADN elle-même et de leur transmission au fil des générations. Cette étude a permis de mettre en évidence que certaines modifications de la méthylation de l’ADN, l’un des mécanismes épigénétiques les plus étudiés, peuvent être transmises par la lignée germinale aux les générations non-exposées (génération F3) suite à une exposition parentale (génération F0) externe aux radiations gamma (6,5 µGy.h-1 et 41,3 mGy.h-1) pendant 25 jours. Dans une seconde approche, un modèle mécaniste DEBtox (Budget Energétique Dynamique appliqué à la toxicologie) est modifié pour permettre l’analyse des effets des radiations gamma sur la croissance et la reproduction de D. magna à l’échelle de plusieurs générations. Pour ce faire, on utilise des compartiments de dommage, dont le niveau peut être hérité d’une génération à la suivante. Le modèle est ajusté aux données avec des méthodes d’inférence bayésienne afin d’estimer les paramètres tout en tenant compte des incertitudes qui leur sont associées. / In order to durably protect ecosystems facing planned or accidental releases of radionuclides, the long-term impact of organism exposure to ionizing radiation must be studied on a multigenerational scale. The aim of this PhD is to improve the characterization of molecular processes and the prediction of transgenerational effects during a gamma irradiation. First, an experimental approach investigated on radio-induced modifications of epigenetic processes, i.e. changes in mechanisms that regulate gene expression without changing DNA sequence itself and on the transmission of these modifications to subsequent generations. Significant changes in DNA methylation, a well-studied epigenetic mechanism, detected in generation F3 clearly showed that epigenetic modifications could be transmitted to unexposed generations, in response to the exposure of a parental generation (F0) to external gamma radiation (6.5 µGy.h-1 et 41.3 mGy.h-1) for 25 days. Second, a mechanistic modelling approach used a modified version of the DEBtox model (Dynamic Energy Budget model applied to toxicology) in order to analyze effects of gamma radiation on D. magna growth and reproduction over several generations. To that end, damage compartments, with damage levels that were transmitted from one generation to the next, were included. The model was fitted to data using Bayesian inference methods, in order to estimate the parameters while considering their associated uncertainty.

Les protéine arginine méthyltransférases (PRMT) sont impliquées dans de nombreux processus cellulaires, incluant la régulation de l’expression des gènes, le contrôle de l’épissage, le maintien de l’intégrité du génome et la transduction du signal. De nombreuses études montrent que la dérégulation de l’activité des PRMT est associée au développement de pathologies, et en particulier de cancers. Les PRMT constituent ainsi une des nouvelles cibles potentielles en chimiothérapie. Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur trois cibles : PRMT2, PRMT3 et PRMT4/CARM1. Combinant des approches biochimiques, biophysiques et structurales (cristallographie et cryo- microscopie électronique), ces travaux comportent deux aspects : (I) comprendre au niveau atomique la régulation de la réaction de méthylation des protéines (reconnaissance protéines-protéines et interactions entre modifications post-traductionnelles) ; (II) découvrir des inhibiteurs spécifiques et puissants de plusieurs PRMT cibles. / Protein arginine methyltransferases (PRMT) are involved in many cellular processes, including gene expression regulation, splicing control, maintenance of genome integrity and signal transduction.Since deregulation of those biological processes appears to be implicated in the pathogenesis of different diseases, PRMTs have emerged as potential new targets for the development of novel therapeutic modulators. Despite the large amount of biological and structural data on PRMTs, two challenges remain to be solved by structural biology ; (I) understanding how PRMTs recognize and bind their full-length substrates ; (II) revealing how PRMTs achieve specific arginine methylation on different target sites. The works presented here focused on 3 targets: PRMT2, PRMT3 and PRMT4/ CARM1. We used biochemical, biophysical and structural methods (bio-crystallography and cryo- electron microscopy) to decipher structural clues that drive PRMT-substrate recognition. We developed new chemical probes that can be used in early drug discovery for the conception of PRMT inhibitors.

La biogenèse des ribosomes matures et fonctionnels est notamment dépendante de petites particules ribonucléoprotéiques composées d’ARN et de protéines, les snoRNP (small nucleolar RiboNucleoProteins). Celles-ci sont subdivisées en deux familles : les snoRNP à boîtes C/D et les snoRNP à boîtes H/ACA. Ces deux classes de snoRNP catalysent des modifications chimiques, respectivement de 2’-O-méthylation et de pseudouridylation, sur des positions spécifiques des ARN ribosomiques (ARNr), ou sont impliquées dans des clivages du long ARNr précurseur. Les snoRNP à boîtes C/D sont composées d’un snoARN à boîtes C/D servant de guide pour cibler la position à modifier, et d’un jeu invariant de quatre protéines : Snu13p/SNU13, Nop1p/Fibrillarine, Nop56p/NOP56 et Nop58p/NOP58 (levure/Homme). Ces snoRNP sont produites par la cellule grâce à la présence de plusieurs complexes protéiques constituant une machinerie pour leur assemblage. Outre plusieurs facteurs protéiques déjà connus dans la biogenèse de snoRNP à boîtes C/D comme les protéines Rsa1p/NUFIP, Hit1p/ZNHIT3 et les protéines du complexe R2TP, d’autres protéines pourraient compléter cette machinerie. Parmi ces facteurs additionnels, la protéine Bcd1p/ZNHIT6, pour Box C/D snoRNA protein 1, est essentielle pour maintenir spécifiquement la stabilité in vivo des snoARN à boîtes C/D, et des associations ont pu être identifiées entre Bcd1p/ZNHIT6 avec différents partenaires protéiques de la machinerie d’assemblage de ces particules. Toutefois, l’étape d’assemblage où Bcd1p/ZNHIT6 intervient et la fonction qu’elle y accomplit demeurent inconnues. L’utilisation d’outils in vivo et in vitro chez la levure S. cerevisiae et chez les mammifères nous ont permis de progresser dans la compréhension de la fonction de Bcd1p/ZNHIT6 dans l’assemblage des snoRNP à boîtes C/D. Bcd1p est un facteur d’assemblage recruté de manière co-transcriptionnelle sur les loci codant les snoARN à boîtes C/D et est requis pour le recrutement des complexes d’assemblage sur les snoARN en cours de transcription. Plus spécifiquement, Bcd1p affecte l’interaction de Nop58p avec le facteur d’assemblage Rsa1p, suggérant une fonction dans le recrutement de Nop58p dans une pré-snoRNP en cours d’assemblage. Ce travail a permis d’apporter des informations importantes permettant d’expliquer le caractère essentiel de Bcd1p dans la fonction et la biogenèse des snoRNP à boîtes C/D / Ribosome biogenesis is especially dependent on the action of small RNA/proteins complexes called small nucleolar ribonucleoproteins (snoRNPs). They are divided into two main families: the so-called box C/D snoRNPs and box H/ACA snoRNPs. Each category performs specific enzymatic processes, 2’-O-methylation and pseudouridylation, respectively, and induces target-specific chemical modification on rRNAs. Few snoRNPs are also essential for pre-rRNA processing. The box C/D snoRNPs are formed by the association of a box C/D snoRNA with a set of four invariant proteins: Snu13p/SNU13, Nop1p/Fibrillarine, Nop56p/NOP56 and Nop58p/NOP58 (yeast/Human). Biogenesis of these RNPs relies on the action of several proteins complexes which constitute a dedicated assembly machinery. Rsa1p/NUFIP, Hit1p/ZNHIT3, and components of the R2TP complex are the best characterized protein actors of this machinery. Additional protein factors probably participate in box C/D snoRNP biogenesis; Bcd1p/ZNHIT6 (Box C/D snoRNA protein 1) is such a candidate as it is essential for the in vivo stability of box C/D snoRNAs, and it was found associated with proteins involved in this machinery in yeast and Human. However, the mechanism governing the recruitment of this protein towards the biogenesis of box C/D snoRNP, and the step of the assembly process relying on the presence of Bcd1p are still unknown. In S. cerevisiae and Human, in vivo and in vitro tools allowed us to improve the understanding of the functions of Bcd1p/ZNHIT6 in box C/D snoRNP assembly. Bcd1p is an assembly factor that is recruited co-transcriptionally on box C/D snoRNA loci, and is required for the recruitment of assembly complexes on nascent snoRNAs. Bcd1p is important for Nop58p association with the assembly factor Rsa1p, which suggests that its primary function is to recruit Nop58p to nascent pre-snoRNPs. This work evidenced important information on the essential role of Bcd1p in C/D snoRNP biogenesis and function

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.

Anticiper l’impact de fluctuations environnementales de nature climatique ou alimentaire est un enjeu crucial dans les systèmes de productions animales, et plus particulièrement sur la volaille. Cette influence de l’environnement sur les phénotypes passe en partie par des phénomènes épigénétiques, notamment la méthylation de l’ADN, et qui peuvent intervenir dans la régulation de l'expression des gènes. Ce sont des mécanismes qui n'affectent pas la séquence d'ADN mais qui peuvent être transmis par la mitose ou la méiose. Ces interactions entre épigénomes et expression des gènes sont de plus en plus étudiées dans les modèles animaux et chez les plantes. Cependant, les mécanismes de régulation de l'expression du génome par la méthylation de l’ADN sont assez peu connus chez les oiseaux. Ce travail de thèse repose sur deux dispositifs expérimentaux réalisés chez la poule, le but étant de caractériser le méthylome par séquençage haut-débit. Les profils de méthylation le long du génome, et le lien avec l’expression, sont établis d’abord par un séquençage tout-génome (WGBS) au sein d’embryons entiers, puis par un séquençage d'une sous-représentation du génome (RRBS) au sein d’hypothalamus d’individus adultes. À ce jour, aucune étude d'analyses de méthylome par RRBS chez la poule n'a été publiée. Ces deux analyses sont réalisées grâce au développement d'un pipeline bioinformatique, optimisé, disponible à la communauté scientifique. Globalement, le profil de méthylation chez la poule est similaire à ce qui est connu chez les mammifères : les îlots CpG - régions riches en dinucléotides CG, souvent peu méthylées, qui ponctuent le génome principalement dans les régions promotrices des gènes - sont globalement peu méthylés dans les promoteurs sur les données WGBS et RRBS. Les analyses du méthylome des embryons ont confirmé l'absence d'un phénomène de compensation de dose sur les chromosomes sexuels, ou la présence sur le chromosome Z d'une région hyperméthylée. Les analyses des données RRBS révèlent une hyperméthylation globale des CG sur le génome, suggérant une réponse de la méthylation à un stress environnemental. Sur les données WGBS, le niveau de méthylation dans le promoteur est négativement corrélé à l'expression du gène associé. Une méthylation allèle spécifique est également détectée entre les lignées, phénomène mis en évidence pour la première fois chez la poule et dont la fréquence est comparable à ce qui a été observé chez l'Homme. Sur les données RRBS, des résultats préliminaires de la réponse du méthylome aux stress environnementaux montrent le caractère complexe de cette relation. L’utilisation d’aliments moins énergétiques entraînerait une plus grande mobilisation des réserves lipidiques, tandis que les individus soumis à un stress à la chaleur ont un poids corporel plus léger. Une intégration de ces données à des mesures phénotypiques permettrait de faire le lien entre méthylation et environnement. Au-delà de l'aspect fondamental de cette thèse, l'application plus concrète de ces connaissances peut s'appliquer aux systèmes d'élevage pour obtenir des animaux mieux adaptés à l’environnement, en améliorant les caractères de production / Anticipating the impact of environmental changes (on climate and feed) is a crucial issue for livestock production systems, including poultry. The influence of the environment on phenotypes is partly mediated by epigenetic phenomena, including DNA methylation, which may be involved in the regulation of gene expression. These mechanisms do not affect the DNA sequence but can be inherited by mitosis or meiosis. The interactions between epigenomes and gene expression are increasingly being studied in animal models and in plants. However, the mechanisms of regulation of genome expression through DNA methylation are relatively unknown in birds. This thesis work is based on two experimental devices realized in chicken aiming to characterize the methylome by high-throughput sequencing. The methylation patterns across the genome, and their link with expression, were first established by whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) in whole embryos, following a reduced representation bisulfite sequencing (RRBS) from hypothalamus of adults. To date, no specific chicken RRBS study has been published. These two analyses were carried out by developing an optimized bioinformatics pipeline, available for scientific community. Overall, the pattern of methylation in chicken is like those in mammals: CpG islands - dinucleotides CG-rich regions which are often poorly methylated, and which are found mainly in the promoter regions of the genome - are generally poorly methylated in promoters on WGBS and RRBS data. Embryo methylome analyses confirmed the absence of a dose-compensation phenomenon on sex chromosomes, or the presence of a hypermethylated region on the Z chromosome. The analyses of RRBS data revealed an overall hypermethylation of CGs across the genome, suggesting a methylation response to environmental stress. From the analysis of WGBS data, we found that the level of methylation in promoters was negatively correlated with the expression of the associated gene. For the first time, a specific allele methylation was also detected between chicken lines whose frequency is comparable to that observed in humans. On the RRBS data, preliminary results of the methylome response to environmental stresses showed the complex nature of this relationship. The use of a low-energy diet would led to greater mobilization of body fat, while individuals with heat stress had a lighter body weight. Integrating these data with phenotypic measurements would allow to link methylation and environment. Beyond the fundamental aspect of this thesis, the method developed in this work could be applied to livestock systems to breed animals better adapted to a changing environment, by improving production traits.

La fibrillation atriale (FA) est un problème de santé publique majeur dans le monde entier. Le remodelage électrique, structurel et neuronal est sous-jacent à la myopathie atriale. La pharmacothérapie actuelle est souvent inefficace en raison du manque de connaissance de la pathophysiologie de la FA.Pour comprendre comment se réalise le remodelage atrial, une approche Omique qui explore le transcriptome, l'épigénome (méthylome et microOme) et le génome de patients atteints de FA a été réalisée. Parallèlement, le phénotype de vieux rats spontanément hypertendus (SHRs) a été caractérisé et une étude pharmacologique avec la décitabine (5-Aza-2'-deoxycitidine) a été menée. Les patients atteint de FA présentent un profil transcriptomique et d'expression de miRNA alteré dans l'oreillete gauche (OG), soulignant le rôle important d'un processus de "œmorphogénèse de la structure anatomique". L'expression réduite de Pitx2 était inversement corrélée à la taille de l'OG et ne pouvait pas être expliquée ni par le facteur de transcription ni par la surexpression de Smyd2, une cible de miR-519b. Les SHRs, similairement aux observations chez l'homme, ont développé des arythmies dépendantes de l'âge associées au remodelage atrial et ventriculaire gauche. La FA a été trouvée associée à l'hyperméthylation du promoteur de Pitx2 à la fois chez l'homme et chez les SHRs. L'agent hyperméthylant décitabine a amélioré le profil arhytmique de l'ECG et les activités SOD, et la réduction de la fibrose dans le ventricule gauche des SHRs. En utillisant une approche NGS basée sur un panel personnalisé de 55 gènes candidats à la myopathie atriale dans une cohorte de 94 patients atteints de FA, 11 nouvelles variantes faux-sens potentiellement pathogènes impliqués dans le remodelage structurel ont été identifiés. Des études fonctionnelles de ces variants ont débuté. Trois patients sont également des porteurs de variantes dans les gènes connus de FA. Les résultats actuels suggèrent que 1) la régulation épigénétique peut jouer un rôle dans la pathophysiologie de la FA 2) les agents hypométhylants doivent être considérés comme une nouvelle thérapie de la FA 3) une approche Omique peut aider à découvrir de nouveaux mécanismes sous-jacents à la myopathie atriale / Atrial fibrillation (AF) is a major public health care problem worldwide. Electrical, structural, and neural remodeling underlie atrial myopathy. Current pharmacotherapy is often ineffective due to the lack of knowledge of AF pathophysiology. To understand how atrial remodeling occurs, an Omic approach that explore the transcriptome, epigenome (methylome and microOme) and genome of AF patients was performed. In parallel, ageing spontaneously hypertensive rats (SHRs) were phenotypically characterised and a pharmacological study with decitabine (5-Aza-2’-deoxycitidine) was conducted. AF patients presented an altered transcriptomic and microRNA expression profile in the left atria (LA), emphasizing the important role of an "anatomical structure morphogenesis" process. The Pitx2 reduced expression was inversely correlated with LA size, and could not be explained by transcriptor factor. Smyd2 is a target of miR-519b-3p. SHRs, similar to what is observed in humans, developed age-dependent arrhythmias associated with left atrial and ventricular remodeling. AF was found to be associated with Pitx2 promoter hypermethylation both in humans and in SHRs. The hypomethylating agent decitabine improved ECG arrhythmic profiles and superoxide dismutase activities, and reduced fibrosis in the left ventricle of SHRs. Using a next-generation sequencing approach based on a custom panel of 55 atrial myopathy candidate genes in a cohort of 94 AF patients, 11 novel potentially pathogenic missense variants involved in structural remodeling were identified. Functional studies of these variants have started. Three patients were also carriers of variants in known AF-causing genes. The present results suggest that 1) epigenetic regulation may play a role in the pathophysiology of AF 2) hypomethylating agents have to be considered as a new AF therapy 3) an Omic approach may help to uncover new mechanisms underlying atrial myopathy

ERRα est un récepteur nucléaire dont l’activité est controlée par des co-régulateurs transcriptionnels. La forte expression de ERRα dans les cancers est corrélée à un mauvais pronostic. Les mécanismes par lesquels ERRα régule la migration des cellules cancéreuses sont mal compris, tout comme les co-régulateurs impliqués. Nous avons identifié deux enzymes modificatrices d’histone, LSD1 et SET7, agissant comme régulateurs positifs de ERRα.I. ERRα modifie les activités biochimiques de la déméthylase LSD1 vers la déméthylation (activatrice) de H3K9me2. L’activation des cibles de ERRa-LSD1 (identifiées par RNA-Seq) requiert le recrutement de ce complexe aux sites d’initiation de la transcription (TSSs), réalisé par le facteur de transcription NRF1 qui, lui, ne régule pas l’activité enzymatique de LSD1.II. Un autre groupe de cibles de ERRα (identifié par RNA-Seq) est sous le contrôle de l’histone méthyltransférase SET7 qui mono-méthyle H3K4. Le recrutement de SET7 aux TSSs est contrôlé par le facteur de transcription ETS1, qui promeut les interactions entre SET7 et ERRα, conduisant à l’activation de l’expression des gènes en aval.Des analyses par Gene Ontology ont montré que les cibles communes de ERRα/LSD1 et de ERRα/SET7 sont fortement enrichies en termes d’invasion cellulaire. De manière cohérente, la déplétion individuelle de chacun de ces facteurs (et également celle de NRF1 ou ETS1) réduit les capacités d’invasion, observée en tests in vitro (transwell) ou in vivo par xénogreffe sur embryons de poisson-zèbre.En résumé, nos résultats montrent deux réseaux de régulation impliquant des modifications d’histone induites par ERRα, conduisant à l’invasion cellulaire. / ERRα is a nuclear receptor whose activity mainly depends on its interaction with transcription co-regulators. High levels of ERRα are found in various cancer types and correlate with poor prognosis. However, the mechanisms linking ERRα to cancer cell migration as well as the coregulators involved are unclear. In our study, we found two histone-modifying enzymes, LSD1 and SET7, acting as positive regulators of ERRα.I. ERRα impacts the biochemical activities of the LSD1 demethylase. Activation of ERRα -LSD1 targets (identified by RNA-Seq) requires the recruitment of this complex at Transcriptional Start Sites (TSSs), which is achieved by the NRF1 transcription factor. In our study, we have shown several points: NRF1, but not ERRα , is involved in positioning LSD1 to TSS, whereas ERRα , but not NRF1, regulates LSD1 enzymatic activities towards demethylating H3K9me2.II. A distinct group of ERRa target genes (identified by RNA-Seq) is under the control of the histone methyltransferase SET7 which mono-methylates H3K4. Appropriate recruitment of SET7 at TSSs is controlled by the ETS1 transcription factor, promoting the interaction between SET7-ERRa, leading to target gene expression.Gene Ontology analysis revealed that ERRa-LSD1 co-targets, as well as ERRa-SET7 co-targets, are enriched in terms of cell invasion. Consistently, depletion of each of these factors, as well as depletion of NRF1 or ETS1, leads to reduced cell invasion capacities as observed in transwell assays or in vivo, using xenotransplantation in the zebrafish embryo.Altogether, our results show two regulatory networks involving histone modifications induced by nuclear receptors, leading to increased cell invasion.