Ces dernières années des études ont montré le rôle de la méthylation dans la régulation transcriptionnelle. Au cours de cette thèse, nous avons exposé des cellules hépatiques à plusieurs stimuli pour en évaluer l'effet au niveau du méthylome. Nous avons précisément étudié des facteurs clés dans le carcinome hépatocellulaire que sont le virus de l'hépatite B, le TGFbeta et au cours de la différenciation des hépatocytes. Au cours de ces expositions, nous avons observé que la méthylation était remanié spécifiquement dans certaines régions. En effet nous n'avons pas observé de nombreux changements dans les régions promotrices mais dans les régions intragéniques. Nous avons ensuite identifié l'impact des changements de méthylation dans ces régions. Nous avons ainsi pu observer qu'au cours de la différenciation hépatique une déméthylation du corps du gène HNF4A au sein d'un promoteur alternatif était corrélé à l'expression d'un autre isoforme de ce gène sous le contrôle de ce promoteur alternatif. Enfin nous avons utilisé l'outil d'édition CRISPR pour modifier les régions intragéniques. Nous avons ainsi inséré des mutations au sein d'un enhancer intronique du gène TRRAP. Nous avons alors observé que cette région semblait être nécessaire à la surexpression du gène au cours du traitement mais également au niveau de la réponse au TGFbeta. En conclusion nous avons identifié les régions intragéniques comme des régions épigénétiquement dynamiques en réponse aux facteurs environnementaux tels que l'inflammation et l'infection par HBV. Nous avons également identifié pour ces régions un potentiel rôle dans la régulation transcriptionnelle ainsi que dans les événements d'épissage alternatif / Hepatitis B virus (HBV) and chronic inflammation are well known risk factors for several chronic liver pathologies and cancer. We firstly studied the ability of HBV to modify the host methylome, using naturally infected primary human hepatocytes, and bead array. As a result, we identified non- random changes in gene expression and DNA methylation occurring specifically upon HBV infection. Moreover, a set of differentially methylated sites appeared early and were stable. These HBV-induced DNA methylation changes were defined by a specific chromatin context characterized by CpG-poor regions outside of gene promoters. During liver inJury, hepatic progenitor cells (HPC) are essential for tissue regeneration. Because of its role in determining cellular fate, DNA methylation may have an important role during the process of HPC differentiation. We therefore assessed DNA methylation during HPC differentiation. We found a progressive demethylation of HNF4A alternative promoter strongly associated with higher expression of another isoforms of HNF4A. Finally, TGFbeta is linked to a change in DNA methylation profiles. Using genome-wide strategy we observed a specific pattern of DNA methylation changes in response to TGFbeta treatment. Indeed, the observed changes were, as for HBV-induced changes, enriched in intragenic regions. In order to study the role of these regions, we used CRISPR/Cas 9 strategy on the intragenic enhancer of the TRRAP gene. This disruption was likely to suppress TGFbeta response at TRRAP expression level as well as the complete response to this cytokine. These data support a higher dynamicity of intragenic regions in response to the different stimuli we used at methylation level in liver cells. Moreover, these results support a role of intragenic methylation in cellular

Une sous population de cellules au sein des tumeurs mammaires présente une capacité accrue de se renouveler et de reproduire l’hétérogénéité du cancer du sein. Maintenant il est bien connu que les cellules souches présomptives du cancer du sein possèdent des programmes d’expression des gènes qui correspondent à leurs caractéristiques biologiques uniques. Notre groupe a été impliqué dans la caractérisation épigénétique des cellules souches présomptives du cancer du sein et l’importance de la dérégulation des mécanismes épigénétiques comme la méthylation de l’ADN et le microARN au cours de la carcinogenèse. Plus spécifiquement cette étude détaille l’idée que la survie des cellules souches du cancer du sein peut être due à une signalisation via des circuits spécifiques de régulation, y compris la voie d’inflammation IL6-JAK-STAT. Ces cellules présentent une activation constitutive de cette voie associée à une configuration particulière de la chromatine. Une autre part de cette étude est d’explorer l’idée que des changements dans l’expression des microARN sont fondamentaux pour la maintenance des principales caractéristiques de ces cellules, et leur ciblage peut représenter une nouvelle approche de thérapie contre le cancer du sein. De plus, en testant directement les conséquences in vivo de la régulation de miR30a nous ouvrons la voie pour la recherche et la validation de l’utilisation potentielle des microARN comme thérapie anti cancéreuse. Ensemble, nos résultats apportent une nouvelle compréhension du rôle des modifications épigénétiques dans la maintenance des cellules souches du cancer du sein. De façon importante ces découvertes intègrent l’idée que des mécanismes de régulations différents mais coordonnés ont un rôle dans la survie des cellules souches du cancer du sien et donnent une perspective élargie pour la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques / A subpopulation of cells within breast tumors is known to display an increased ability to self-renew and reproduce breast cancer cell heterogeneity. It is now known that putative breast cancer stem cells (CSCs) display distinct programs of gene expression that correlate with their unique biological characteristics. Our group has been involved in the epigenetic characterization of putative breast CSCs and the importance of the deregulation of epigenetic mechanisms such as DNA methylation and microRNA during carcinogenesis. More specifically, this study is detailing the idea that the survival of breast CSC may be dependent on signaling through specific regulatory circuits, including the well known inflammatory IL6-JAK-STAT pathway. These cells display a constitutive activation of this pathway associated with a distinct chromatin configuration. Another part of the study is exploring the idea that changes in microRNA expression are fundamental in sustaining the main attributes of these cells, and their targeting may represent a novel approach for breast cancer therapy. In addition, by directly testing the in vivo consequences of miR30a regulation, we open a window of opportunity for testing and validating the potential use of microRNAs in anti-neoplastic therapy. Together our results bring a new understanding of the role of epigenetic modifications in the maintenance of breast CSC. Importantly, these findings integrate the idea that different but coordinated regulation mechanisms play a role in the survival of CSC and give a larger perspective for finding novel therapeutic targets

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immmune notamment marquée par une défaillance de la mise en place des mécanismes de réparation tissulaire, ne permettant pas de rétablir l'homéostasie. L'utilisation de la résolution de l'inflammation, médiée par les. macrophages phagocytant des cellules apoptotiques. a récemment été évoquée afin de proposer une nouvelle famille de médicaments basée 1 sur cette résolution de l'inflammation. Dans ce cadre, nous proposons de résoudre l'inflammation dans un modèle murin de SEP, à l'aide du surnageant de co-culture de macrophages ayant phagocyté des cellules apoptotiques. induisant la production de facteurs pro-résolutifs (SuperMApo). Nous démontrons ici que l'injection de SuperMApo dans un modéle de SEP permet de contrôler la maladie via une reprogrammation des macrophages et des pDC, mais pas des cDC. dans la rate. Ces cellules démontrent en effet une capacité accrue à générer des T régulateurs (Treg) et moins de Th1, et leur présence est nécessaire pour l'effet du SuperMApo. Cette reprogrammation se fait à deux niveaux moléculaires. Premièrement. un contrôle épigénétique de l'expression des gènes induit notamment une modification de la méthylation globale de I' ADN et des promoteurs de miRNA impliqués dans la régulation des réponses immunes. Deuxièmement, une diminution de l'activation des acteurs de la voie de transcription pro-inflammatoire NFκB (nuclear factor kappa 8) a lieu. résultant d'une baisse de l'activation de ces cellules. Ces travaux démontrent donc que cibler la résolution de l'inflammation est une stratégie intéressante afin de contrôler la SEP. / Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disease notably delined bv a default of mechanisms of tissue reparation which are insufficient to establish homeostasis. The active resolution of innammation mediated by macrophage effcrocytosis of apoptotic cells has emerged to propose a new branch of pharmacology named "resolution pharmacology". ln this study. we propose to resolve innammation in a murine model of MS. using the supermatanl issued from the culture between apoptotic cells and macrophages. inducing efferocytosis and the production of pro-resolutive factors (SuperMApo). Here. we demonstrate that injection of SupcrMApo in a model of MS allow the control of the disease correlated with a reduction of the inflammatory inliltrate in the central nervous system. The control of the disease is associated with a reprograrnming of macrophages and pDC, but not cDC, in the spleen, demonstrated by a higher capacity to generate Treg and a lower ability to generate Th 1, and their presence is necessary to the anti-innammatory effect of SupcrMApo. Reprogramming of macrophages and pDC occurs at two main levels. First. an epigenetic control of gene expression induces a modulation of global DNA methylation and a modulation of DNA methylation at the promoter of miRNA implicated in the regulation of immune responses. Secondly, a decreased activation of NFκB activation pathway is observed resulting to a decreased activation of these cells. Thus, this work demonstrates that targeting the resolution of inflammation is an interesting strategy to treat MS.

La truite arc-en-ciel carnivore (Oncorhynchus mykiss) est considérée comme une espèce pauvre utilisatrice de glucides alimentaires. Des études récentes ont montré qu'une hypométhylation globale de l'ADN hépatique induite par un régime alimentaire riche en glucides et pauvre en protéines pourrait être impliquée dans l'établissement / le maintien du de ce phénotype chez la truite, mais le détail des mécanismes sous-jacents reste inconnu. La thèse vise à étudier les mécanismes épigénétiques sous-jacents à ce phénotype de faible utilisation des glucides alimentaire chez la truite et à examiner si le métabolisme du glucose et l’épigénome chez les juvéniles peuvent être programmés par un stimulus hypoxique précoce. Nous avons d’abord identifié tous les gènes paralogues liés aux voies de méthylation / déméthylation de l’ADN (dnmt, tet et tdg) dans le génome de la truite, clarifié leurs histoires évolutives et analysé leurs profils d’expression au cours de la gamétogenèse et de l’embryogenèse chez la truite. Nous avons ensuite étudiés plus en détail les processus et les mécanismes potentiellement à l’origine de l'hypométhylation de l'ADN hépatique global constatée chez la truite après un régime riche en glucides et pauvre en protéines. Les résultats ont montré pour la première fois qu'une diminution du taux deprotéines et une augmentation du taux de glucides dans l’aliment induisent de manière indépendante et en interaction une hypométhylation hépatique globale chez la truite, qui semble établie par le biais d'une voie de déméthylation active. Nous avons également constaté qu’une forte hyperglycémie induite par une injection de glucose induit une hypométhylation globale de l’ADN au niveau des sites CmCGG dans le foie de la truite. Les mécanismes détaillés de ces processus de déméthylation restent à élucider. Enfin, grâce à la stratégie de programmation métabolique, nous avons pour la première fois confirmé que l’utilisation d’un stimulus non nutritionnel au début de la vie, l’hypoxie, pouvait moduler de façon persistante la transcription des gènes liés au métabolisme du glucose chez la truite juvénile sans nuire aux performances de croissance. De plus, selon sa nature chronique ou aigue, l’hypoxie, a tendance à induire des effets de programmation opposés sur les gènes codants pour les transporteurs au glucose notamment dans le foie et le muscle de la truite juvénile. Dans son ensemble, la thèse met en avant notre compréhension du rôle du méthylome dans la contribution à la faible capacité d'utilisation des glucides alimentaires chez la truiteLa thèse met aussi en lumière le potentiel d'utilisation de l'hypoxie comme stimulus pour programmer le métabolisme du glucose, l'épigénome et l'utilisation des glucides alimentaires chez la truite arc-en-ciel. / The carnivorous rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) is considered as a poor user of dietary carbohydrates. Recent studies showed that a high-carbohydrate/low protein diet inducing hepatic global DNA hypomethylation could be involved in the establishment/maintenance of the poor dietary carbohydrates utilisation phenotype in trout, but the detail mechanisms remain unclear. The present thesis aimed at investigating the epigenetic mechanisms underlying this poor dietary carbohydrate utilisation phenotype in trout, and exploring if the glucose metabolism and the epigenome in juveniles can be programmed through a hypoxic stimulus during early life. We first identified all the paralogous genes related to DNA methylation/demethylation pathways (dnmt, tet and tdg) in trout genome, clarified their molecular evolution histories and monitored their transcriptional expression patterns during gametogenesis and embryogenesis in trout. Besides, we investigate further the causes, processes and potential mechanisms about the hepatic global DNA hypomethylation in trout after feeding a high carbohydrate/low protein diet. Results for the first time demonstrated that a decrease in protein content and an increase in carbohydrate content in the diet can independently as well as interactively induce hepatic global hypomethylation in trout. This global loss of methylation is probably established through an active demethylation pathway. We also found that a strong hyperglycaemia induced by glucose injection induces global CmCGG hypomethylation in the liver of trout. The detailed mechanisms of these demethylation processes remain to be elucidated. Finally, through metabolic programming strategy, we confirmed for the first time that using a non-nutritional stimulus, hypoxia, during early life stage persistently modulates the transcription of glucose metabolism-related genes in juvenile trout without negative effects on growth performance. Moreover, acute and chronic hypoxia tended to induce opposite programming effects on glucose-transporter encoding genes in both liver and muscle of juvenile trout. Together, the present thesis brings forward our understandings about the roles of epigenetics in contributing to the low ability to use dietary carbohydrates in trout, and sheds light on the potential of using hypoxia as the stimulus in metabolic programming strategy to tailor the glucose metabolism, the epigenome and dietary carbohydrate utilisation in rainbow trout.

Les travaux épidémiologiques et expérimentaux effectués à ce jour sur le cancer du sein ont montré que les oestrogènes - comme l’eostradiole (E2) - et leur récépteur (ER) - un facteur de transcription les liants - sont fortement impliqués dans au moins 70% des cas de cancer du sein. Cette implication est d’autant plus visible que les patients, suite à une thérapie anti-oestrogénique, ont tendance à développer une résistance endocrinienne au traitement. Pendant longtemps, l’ER a été étudié en tant que facteur indépendant liant directement une séquence ADN spécifique sur le génome. Aujourd’hui le paradigme a profondément changé. Il est bien connu que ER s’associe avec de nombreux autres facteurs de transcription et protéines régulant la chromatine afin de réguler l’expression des gènes. Cependant, nos connaissances concernant la fonction de modifications épigénétiques suite à l’activation de ER - notamment la méthylation de l’ADN et l’acétylation des histones - sont encore limitées. Dans cette étude, j’ai mis en place un protocole de culture cellulaire adapté à l’étude de la privation et à la re-stimulation d’E2 stricto sensu. Dans un premier temps, ce protocole a été évalué à l’aide de la toute dernière technologie de puce permettant la lecture du méthylome et couvrant la liste complète des éléments amplificateurs. Dans un deuxième temps, j’ai mesuré le transcriptome et les profiles d’acétylation de l’histone H3 (H3K27ac) afin de déterminer la capacité de ER à réguler l’expression des gènes J’ai découvert que, suite à la privation de E2, les niveaux de méthylation de l’ADN et de H3K27ac changent et que ces changements s’accentuent avec le temps, en particulier au niveau des éléments amplificateurs. Une analyse d’enrichissement des facteurs de transcription et des séquences de liaison spécifiques a révélé que les facteurs de transcriptions des familles AP-1 et FOX sont des intermédiaires favorisants la liaison de ER aux éléments amplificateurs. Finalement, la re-stimulation des cellules par de l’E2 a montré que la majorité des changements épigénétiques observé sont réversibles mais que certains éléments amplificateurs restent hyperméthylés et déacétylés. Ceci pourrait indiquer que les traitements anti-oestrogéniques sont efficaces mais pourrait également indiquer un marqueur de résistance endocrinienne. Cette étude apporte des informations nouvelles quant aux effets de l’inhibition et l’activation de ER sur la méthylation de l’ADN et l’acétylation de l’histone H3 à l’échelle du génome et renforce l’importance du rôle d’autres facteurs au niveau des amplificateurs / Previous epidemiological and experimental studies have strongly implicated estrogens in breast cancer risk and Estrogen Receptor (ER), the transcription factor to which estrogen binds, is considered as the major molecular driver of around 70% breast cancers. The importance of the deregulated estrogen signalling is further highlighted by increasing evidence that current chemopreventive and therapeutic strategies that target hormonally responsive breast cancers frequently result in the development of resistance to anti-estrogens and metastatic progression, highlighting the need for understanding the molecular underlying mechanisms. While until recently, ER was believed to act as a stand-alone transcription factor, which can directly bind its motifs in DNA, it is now accepted that ER activity is a complex and dynamic process that requires highly concerted actions of a dozen transcriptional cofactors and various chromatin regulators at DNA. Recent studies focused on characterising ER-associated cofactors and their role in opening the chromatin provided a remarkable insight into transcriptional regulation mediated by ER. However DNA methylation and histone acetylation are poorly understood in the context of ER’s dynamic binding. In this thesis, I combined a cell culture protocol adapted for studying estradiol (E2) deprivation and re-stimulation in stricto sensu in ER-positive breast cancer cells with the latest methylation array, that allowed a genome-wide interrogation of DNA methylation (including a comprehensive panel of enhancers). I further investigated histone acetylation (ChIP-seq) and transcriptome (RNA-seq) after E2 deprivation and re-stimulation to better characterise the ability of ER to coordinate gene regulation. I found that E2 deprivation and re-stimulation result in time-dependent DNA methylation changes and in histone acetylation across diverse genomic regions, many of which overlap with enhancers. Further enrichment analysis of transcription factor (TF) binding and motif occurrence highlights the importance of ER tethering mainly through two partner TF families, AP-1 and FOX, in the proximity of enhancers that are differentially methylated and acetylated. This is the first study that comprehensively characterized DNA methylation at enhancers in response to inhibition and activation of ER signalling. The transcriptome and genome occupancy data further reinforced the notion that ER activity may orchestrate a broad transcriptional programme through regulating a limited panel of critical enhancers. Finally, the E2 re-stimulation experiments revealed that although the majority of the observed epigenetic changes induced by E2 deprivation could be largely reversed when the cells were re-stimulated we show that DNA hypermethylation and H3K27 acetylation at enhancers as well as several gene expression changes are selectively retained. The partial reversibility can be interpreted as a sign of treatment efficiency but also as a mechanism by which ER activity may contribute to endocrine resistance. This study provides entirely new information that constitutes a major advance in our understanding of the events by which ER and its cofactors mediate changes in DNA methylation and chromatin states at enhancers. These findings should open new avenues for studying role of the deregulated estrogen signalling in the mechanism underlying the “roots” of endocrine resistance that commonly develops in response to anti-estrogen therapy

Les cellules souches pluripotentes sont capables de donner naissance à tous les types cellulaires constituant un organisme, ce qui leur confère un fort intérêt thérapeutique. A partir de l’embryon de souris on peut en dériver deux types : les cellules souches embryonnaires (ES) au stade blastocyste et les cellules souches d’épiblaste (EpiSC) au stade œuf cylindre. Ces deux types de cellules partagent leurs propriétés pluripotentes mais se distinguent par de nombreux aspects comme leurs conditions de culture et les gènes qu’elles expriment. Nous avons montré que la reprogrammation par clonage par transfert de noyau permet d’obtenir des EpiSC présentant un méthylome et un transcriptome similaires à ceux des EpiSC issues d’embryons après fécondation. Nous avons également caractérisé le profil de méthylation de l’ADN des EpiSC, et montré une tendance à l’hyperméthylation des promoteurs des EpiSC par-rapport aux cellules ES et à l’épiblaste. De plus, l’absence de méthylation empêche la conversion des cellules ES en EpiSC. Les EpiSC semblent donc dépendre fortement de la méthylation de l’ADN pour réguler l’expression de leurs gènes, ce qui les distingue des cellules ES. / Pluripotent stem cells are of great therapeutic interest because of their capability to give rise to all the cells composing an organism. We can derive two types of these stem cells from the mouse embryo: embryonic stem cells (ESCs) from the blastocyst and epiblast stem cells (EpiSCs) from the egg cylinder stage. These two cell types share their pluripotent properties but are distinct on several features, like their culture conditions and gene expression. We showed that reprogramming using cloning by nuclear transfer allows the obtention of EpiSCs with a methylome and a transcriptome similar to those of EpiSCs derived from embryo after fertilisation. We also characterised the DNA methylation pattern of EpiSCs and showed their tendency to present a hypermethylation at their promoters compared to ESCs and epiblast. We also observed that the absence of DNA methylation blocks the conversion of ESCs into EpiSCs. As a conclusion, it seems that EpiSCs are strongly dependant of DNA methylation to regulate gene expression, which distinguishes them from ESCs.

L'électrotransfert est une technique de transfert de gène in vivo, permettant une expression<br />élevée du transgène dans un grand nombre de tissus. Dans ce contexte, nous avons utilisé l'imagerie<br />optique pour optimiser différents protocoles d'électrotransfert dans le muscle et la peau.<br />Nous avons développé un système de régulation de l'expression des gènes combinant le système<br />de régulation répressible à la tétracycline Tet-Off et une stratégie antisens. Nous avons examiné<br />le potentiel de l'électrotransfert d'ADN plasmidique pour l'obtention d'anticorps neutralisants à<br />haut titre contre les toxines botuliques A, B et E. Les animaux immunisés avec des plasmides<br />codant les fragments immunogènes des toxines expriment de façon endogène ces fragments de<br />toxines, qui servent d'antigènes et déclenchent une réponse immune. Nous avons finalement étudié<br />l'état de méthylation de l'ADN plasmidique après injection et électrotransfert dans le muscle<br />squelettique et sa possible intégration dans le génome.

Des recherches dans le domaine de la biologie des cancers des VADS ont été menées pour mieux comprendre leur cancérogenèse et rechercher des biomarqueurs pouvant avoir une valeur pronostique ou un intérêt dans le dépistage. En matière de cancérogenèse des cancers des VADS, 2 grands types de modifications ont été identifiés à l'échelon cellulaire : les altérations génétiques et épigénétiques. Notre travail s'est focalisé sur la méthylation de gènes suppresseurs de tumeurs au niveau tumoral et salivaire. Seize gènes ont été étudiés dans le cadre d'une étude prospective. Nous avons pu définir un profil de méthylation à partir de 6 gènes avec une bonne corrélation entre les résultats obtenus au niveau tumoral et salivaire ; nos résultats nous ont permis de confirmer l'intérêt de l'étude de la salive des patients après traitement : la persistance ou la réapparition de méthylations précédant la rechute tumorale. Au niveau tumoral, la présence de méthylations n'a pas de valeur pronostique.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal