The human genome is organised into a DNA-protein complex called chromatin, of which the main repeating unit is the nucleosome. Chromatin is generally repressive to gene expression, rendering RNA Polymerase II regulatable gene expression dependent on chromatin remodelling complexes. These complexes will displace nucleosomes or change the nucleosomal structure by incorporating histone variants or by the post- translational modification of histone. Chromatin remodelling works in concert with transcription activators on regulatory elements of regulatable genes. The histone variant H2A.Z has a major role in creating a permissive structure at gene regulatory elements. Conversely, the di- and tri-methylation of histone H3 lysine 27 (H3K27) has a repressive effect on gene regulation, but can be reversed by the recently identified demethylase, JMJD3. The steroid hormone estrogen (E2) and its intracellular receptor estrogen receptor [alpha] (ER[alpha]) stimulate transcription of target genes by promoting local changes in hormone-responsive promoters embedded in chromatin. ER[alpha]-dependent cancers demonstrate deregulated proliferation, and the treatment of these cancers with anti-estrogens (AE) occasionally leads to resistant cancer subtypes. H2A.Z overexpression has been associated with ER[alpha] target gene expression and breast cancer. In addition, an interesting link exists between ER[alpha] and H3K27me3 related chromatin remodelling complexes. We thus hypothesized that ER[alpha]-mediated transcription in normal and antiestrogen-resistant breast cancer implicates the modification of chromatin signatures on target genes and results in proliferation. We observed that H2A.Z overexpression is related to ER[alpha] levels and leads to increased proliferation in low E2 concentrations and in the presence of the AE tamoxifen. We also show that the perturbation of a repressive epigenetic mark that normally controls the expression of the proto-oncogene BCL2 in response to E2 leads to its constitutive transcriptional activation and deregulation of the apoptosis program in AE-resistant breast cancer cells. Therefore my doctoral studies present the following conclusions: (1) epigenetic modifications are useful prognostic markers for breast cancer severity; (2) the deregulation of these modifications leads to carcinogenesis; and (3) continued deregulation of these pathways can lead to more severe breast cancer and AE resistance.

Toute l'information génétique octroyant l'existence à une cellule est encodée par les milliards de paires de bases d'ADN retrouvées principalement à l'intérieur du noyau. Toutefois, pour des raisons d'espace et d'accessibilité, tout cet ADN est soumis à de nombreuses étapes de compaction en plus d'être fractionné dans le but de former ultimement les chromosomes. Malgré que l'extrême compaction de l'ADN permette la protection des acides nucléiques contre la dégradation, certaines structures demeurent vulnérables et nécessitent une protection toute particulière. C'est le cas de séquences se retrouvant à l'extrémité des chromosomes, les télomères. Les télomères sont constitués de répétitions en tandem d'ADN non codant associées avec de nombreuses protéines spécialisées permettant une protection efficace contre la perte d'informations génétiques dû à la dégradation enzymatique ou à l'érosion naturelle. Ces structures télomériques sont normalement maintenues par une machinerie spécialisée, la télomérase, qui composée d'une sous unité ARN et de partenaires protéiques permet l'ajout de séquences télomériques spécifiquement aux extrémités. Cette enzyme essentielle est régulée par de nombreuses protéines et parmi celles-ci, de nombreuses observations font état du rôle essentiel joué par deux protéines kinases, les protéines Tel1p et Mec1p. Ces kinases occupent une double fonction; elles sont importantes pour la régulation de la taille des télomères, mais sont également au coeur de la réponse cellulaire face aux dommages à l'ADN. Étant donné la nature des télomères, soit des extrémités d'ADN libres, ceux-ci sont identiques en de nombreux points aux cassures double brins d'ADN expliquant probablement la double implication de ces protéines. Durant mes études, je me suis particulièrement intéressé à la double fonction jouée par les kinases Tel1p et Mec1p au niveau des télomères et du processus de réponse aux dommages à l'ADN. Dans un premier temps, avec l'aide d'un collègue j'ai pu démontrer l'étendue des fonctions télomériques et de réponses aux dommages à l'ADN jouées par Tel1p via l'isolation et la caractérisation d'un allèle de séparation de fonctions. Dans un deuxième temps, en poursuivant mes analyses génétiques sur la kinase Tel1p, j'ai pu déterminer que cette protéine possédait des fonctions indépendantes à celles octroyées par son domaine kinase, observation allant à l'encontre de l'idée générale que Tel1p sans fonction kinase opérationnelle simulait un allèle nul. Dans la même ligne de pensée, mes études ont permis d'identifier un nouveau mécanisme de régulation de la télomérase essentiel joué par les kinases Mec1p et Tel1p. En parallèle, je me suis intéressé aux mécanismes cellulaires permettant une régulation de l'enroulement global de l'ADN permettant son accessibilité à toutes les machineries cellulaires de transcription, de réparation et de réplication de l'ADN. Mes travaux ont permis d'identifier qu'une modification des histones, protéines critiques dans le processus de compaction de l'ADN, était extrêmement importante dans le processus de réponse aux dommages à l'ADN. En effet la triméthylation de l'histone H3 sur sa lysine 4 permet à la cellule de pouvoir efficacement réparer les dommages via la réparation de bout non-homologue et permettait de stabiliser les fourches de réplications soumises à un stress cellulaire. Globalement mes résultats m'ont permis de mieux comprendre deux moyens distincts utilisés par les cellules pour maintenir l'intégrité de leur génome : les rôles joués par les kinases Tel1p et Mec1p aux télomères et dans la réparation des dommages à l'ADN, ainsi que l'implication de la modification d'histone H3K4me3 dans le processus de réponse aux dommages à l'ADN.

Les gènes soumis à empreinte (GSE) se distinguent du reste du génome par une expression mono-allélique et parent-spécifique. Cette forme de régulation génique dépend de marques de méthylation différentielles héritées des gamètes parentaux au niveau de régions cis-régulatrices appelées ICR (« Imprinting Control Region »). Une centaine de GSE contrôlés par 20 ICR ont été répertoriés chez la souris et sont en général conservés chez l’Homme. Mon projet de thèse a consisté à caractériser de nouvelles ICR maternelles et à analyser leur impact sur la régulation génique, à partir d’un criblage génomique de méthylation réalisé chez la souris. J’ai ainsi participé à la révélation de l’existence de trois formes d’empreinte, qui résultent de sensibilité différente des ICR face aux changements développementaux des profils de méthylation génomique: 1) une empreinte persistante tout au long de la vie et ubiquitaire, qui caractérise les ICR classiques déjà connues, 2) transitoire, avec une existence limitée au développement pré-implantatoire, et 3) persistante tout au long de la vie mais tissu-spécifique. Plus précisément, j’ai déterminé les profils d’histones associées aux ICR des loci Cdh15 et Gpr1/Zdbf2, et mis en évidence la conservation de l’empreinte transitoire au locus GPR1/ZDBF2 chez l’humain. Je me suis ensuite focalisée sur l’ICR candidate associée au gène Socs5, dont l’empreinte s’est avérée être tissu-spécifique mais également, de façon inédite, polymorphique en fonction des lignées de souris. Cette ICR en position intragénique présente les caractéristiques d’une séquence « enhancer », hypothèse que je teste actuellement par invalidation fonctionnelle (système CRISPR/Cas9) chez la souris. La découverte de ces formes atypiques d’empreinte génomique permet de mieux cerner l’étendue du phénomène d’empreinte parentale et d’évaluer son impact sur les phénotypes. / Genomic imprinting refers to the functional non-equivalence of the two parental genomes in mammals. Imprinted genes are expressed only from the paternal or maternal allele: this mono-allelic expression is regulated by parent-inherited DNA methylation of specific cis-regulatory regions called ICRs (Imprinting Control Regions). There are currently around 120 imprinted genes known in the mouse genome, which are under the control of 20 characterized ICRs, and are generally conserved in Human. My thesis project aimed at characterizing new maternal ICRs and at analyzing their impact on gene regulation, based on a genome-wide methylation screen conducted in the mouse. I participated to revealing the existence of three forms of genomic imprinting, which reflects variable susceptibility to developmentally-regulated DNA methylation changes: 1) ubiquitous and life-long imprinting, which refers to the 20 canonical ICRs, 2) transient, whose existence is limited to preimplantation development, and 3) tissue-specific. More specifically, I deciphered the histone modification profiles of two new maternal ICR associated with the Cdh15 and the Gpr1/Zdbf2 loci and confirmed that the GPR1/ZDBF2 locus is also subject to transient imprinting in Human. My main achievement concerns the characterization of a candidate ICR associated with the Socs5 gene, which I found to be tissue-specific but also strain-specific, pointing towards a new form of imprinting polymorphism. This ICR has an intragenic position and has the characteristics of an enhancer, hypothesis that I am functionally testing in vivo by a CRISPR/Cas9-mediated deletion. The discovery of these new forms of genomic imprinting provides a better understanding of this phenomenon and its impact on phenotypes.

Le raccourcissement télomérique est la source majeure de l'instabilité chromosomique (CIN) au cours de la progression tumorale. Nous avons montré que les cellules humaines embryonnaires de rein (cellules HEK) ayant traversé une période de CIN subissent des vastes changements dans l'expression des microARNs, ce qui induit une transition épithélio-mésenchymateuse (TEM), un processus permettant aux cellules cancéreuses épithéliales migrer et envahir de nouveaux tissus et former des métastases. Notre travail a aussi suggéré que les cellules ayant subi une TEM étaient capables de former des tumeurs dans un microenvironnement sénescent. De surcroît, cette évolution dans la capacité tumorale était associée à une dérégulation supplémentaire des microARNs et à l'acquisition des propriétés des cellules souches. Afin d'étudier comment ce potentiel est mis en place au cours de l'instabilité chromosomique et au contact avec le microenvironnement sénescent, nous avons modulé les niveaux d'expression de miR-145 et avons démontré que la répression de miR-145 était nécessaire pour le développement des caractéristiques des cellules souches. Afin de mieux comprendre l'impact de CIN sur le programme génétique des cellules épithéliales, nous avons utilisé des approches de haut débit et avons caractérisé les changements des paysages chromatiniens et leur mise en place dans les cellules ayant traversé une période de CIN. Nos résultats révèlent pour la première fois que l'instabilité télomérique modifie profondément la distribution des marques d'histones en conduisant aux changements d'expression des gènes et au processus de transformation des cellules épithéliales pré-tumorales. / Telomere shortening is a major source of chromosome instability (CIN) at early stages during carcinogenesis. However, the mechanisms through which telomere-driven CIN (T-CIN) contributes to the acquisition of tumor phenotypes remain uncharacterized. We have shown that human epithelial kidney (HEK) cells undergo massive microRNA deregulation upon CIN, in particular a miR-200-dependent epithelial-mesenchymal transition (EMT), which is thought to enable epithelial cancer cells to migrate and invade other tissues to form metastases. Our work also indicated that CIN+ cells that underwent EMT were able to form tumors in a senescent microenvironment. Notably, this progression in tumor capacity was associated with further microRNA deregulation and the manifestation of enhanced stem-like properties. To investigate how stem-like properties are acquired in CIN+ cells in the contact with senescent microenvironment we adapted knockdown and overexpression approaches to modulate miR-145 expression, and demonstrated that enhanced stem-like properties depended on miR-145 repression. To fully apprehend the impact of CIN on the genetic program of epithelial cells, we used an unbiased approach to characterize the chromatin state of HEK CIN+ cells and uncover genome wide redistributions that were in direct correlation with gene expression changes. Our results reveal for the first time that T-CIN profoundly modifies the chromatin landscape genome-wide thereby fueling the transformation process of pre-tumor epithelial cells.

Le striatum est une région du cerveau impliquée dans d'importantes fonctions physiologiques telles que l'apprentissage par renforcement ou le contrôle du mouvement, mais aussi dans des pathologies comme l'addiction. Le fonctionnement de ce système s'appuie sur deux types de neurones de projection, appelés " neurones épineux de taille moyenne ". Les uns expriment le récepteur de la dopamine de type 1 (D1R) et les autres expriment le récepteur de type 2 (D2R). L'objectif de cette thèse est de caractériser ces deux types de neurones au niveau épigénétique, en conditions basales et après traitement à la cocaïne. Il a été nécessaire de développer de nouvelles méthodes utilisant la cytométrie de flux pour distinguer les populations de neurones exprimant D1R ou D2R. La première méthode utilise des souris transgéniques L10a-GFP et du tissu non fixé, la seconde répond aux limitations de la précédente et utilise du tissu fixé. Nous avons montré que la cocaïne régule de nombreuses modifications post-traductionnelles d'histones, de façon spécifique de populations neuronales. Par ailleurs, nous avons identifié plus d'une centaine de gènes différemment méthylés ou hydroxyméthylés entre les deux types neuronaux. Certains gènes sont déjà connus pour avoir un rôle fonctionnel important dans l'une des populations. La comparaison des neurones exprimant D1R ou D2R est un bon modèle pour explorer les liens entre méthylation de l'ADN, hydroxyméthylation et transcription. Par exemple, nous observons une association très claire entre l'augmentation de la méthylation de l'ADN et la répression de la transcription, ainsi qu'une corrélation entre modifications de méthylation et d'hydroxyméthylation. / The striatum is a brain region implicated in physiological functions such as reinforcement learning or movement selection but also in pathologies such as addiction or Parkinson’s disease. It relies on two types of projecting neurons, named “medium spiny neurons” because of their morphology. They are very similar but have a complementary and opposite role. One type expresses the dopamine receptor type 1 (D1R) and the other type expresses the dopamine receptor type 2 (D2R). The aim of this work was to characterize this two neuronal types epigenetically, in basal conditions and after cocaine treatment. We have developed new flow cytometry techniques to be able to distinguish the two cell types. The first method uses transgenic L10-eGFP mice and fresh tissue, the second one goes beyond the limitations of the first one and uses fixed tissue. We have shown that cocaine regulates many post-translational histone modifications, dynamically, and differently between the two populations. Moreover, we have identified more than 100 genes differentially methylated or hydroxymethylated between the two neuronal types. Some of these genes are already known for having a functional role in one of the populations. The comparison between D1R and D2R neurons is a good model to explore the links between DNA methylation, hydroxymethylation and transcription. For example, we have observed a strong association between an increase in DNA methylation and a transcriptional repression, as well as a correlation between DNA methylation and hydroxymethylation.

Troisième dystrophie musculaire en terme d’incidence, la dystrophie facio-scapulo-humérale est une maladie qui reste encore énigmatique. Bien qu’elle a été montrée comme associée à la contraction d’un macrosatellite, D4Z4, au niveau du subtélomère 4q35 au début des années 1990, l’origine des modifications observées chez les patients est encore mal connue. C’est pourquoi nous nous sommes intéressés à différents aspects de la pathologie. Tout d’abord, nous avons étudié l’expression des gènes de la région 4q35 ainsi que de gènes impliqués dans la physiologie musculaire chez des fœtus et des adultes porteurs ou non d’une contraction du nombre de D4Z4 et avons ainsi pu mettre en évidence que les dérégulations géniques étaient déjà observable chez les fœtus, faisant de ceux-ci un modèle relevant d’étude de la pathogénèse précoce de la FSHD. Nous nous sommes ensuite intéressés à la régulation épigénétique de deux gènes situés au niveau du locus 4q35 et avons pu observer que des modifications épigénétiques globales pouvaient, ou non, moduler l’expression de ces gènes et ce dépendamment du nombre de répétitions du macrosatellite. Enfin, nous avons analysé la régulation de la région par l’effet de position télomérique et avons remarqué que seuls certains gènes de la région, distants, étaient régulés par ce mécanisme épigénétique. Ces résultats nous ont permis d’avancer un peu plus dans la connaissance de la dystrophie facio-scapulo-humérale et de valider un nouveau modèle d’étude de la pathologie. / Hird more frequently myopathy, the facioscapulohumeral dystrophy is an enigmatic disease. It is associated with the macrosatellite D4Z4 contraction since 90’s but the origin of the modifications observable in patients remains unclear. That’s why, we have focused our work in different aspects of this disease. First of all, we have studied expression of 4q35 and muscular genes in fetuses and adults carrying a contraction of the D4Z4 macrosatellite and shown that the molecular deregulations can be observed since the fetal stage. So, we have validated this model as an interesting model to study the early FSHD pathogenesis. Secondly, we have been interested in epigenetic regulation of two genes located in the 4q35 region and have observed a modulation of their expression in a global epigenetic modulation contest. Those deregulations depend on the number of D4Z4 repeats. Finally, we have analyzed the region regulation by telomere position effect and have noted only some genes are deregulated by this epigenetic mechanism. With those results, we have progressed in the FSHD pathogenesis knowledge and we have validated a new model to study this pathology.

Les ascidies présentent des propriétés remarquables au sein des métazoaires qui en font un modèle particulièrement intéressant pour étudier le fonctionnement et l’évolution des éléments cis-régulateurs dans un contexte développemental. Ciona intestinalis et Phallusia mammillata, deux espèces d’ascidies qui ont divergé il y a environ 300 millions d’années, combinent une grande conservation de leurs processus développementaux avec une grande divergence de leur séquence génomique. Pour comprendre comment « fabriquer » des embryons similaires avec des génomes divergents, nous avons identifié les éléments cis-régulateurs actifs au cours du développement de Ciona intestinalis et Phallusia mammillata en développant et en appliquant la méthode de ChIP-Seq sur des modifications d’histones sur des jeunes gastrulae. La définition puis la validation fonctionnelle de différentes catégories d'éléments cis-régulateurs nous a permis de révéler quelques propriétés de la cis-régulation au sein de génomes compacts et intensément remaniés. En sus, les données que nous avons produites constituent une resource fonctionnelle unique pour la caractérisation des éléments cis-régulateurs chez les ascidies et l'étude de leur évolution au sein des Chordés. / Ascidians display remarkable features within metazoans making them particularly suited for the study of function and evolution of cis-regulatory elements in the context of embryonic development. Ciona intestinalis and Phallusia mammillata, two ascidian species that diverged about 300M years ago, combine high conservation of their developmental processes with high divergence of their genome sequence. To understand how to “make” similar embryos with divergent genomes, we identified active cis-regulatory elements during Ciona intestinalis and Phallusia mammillata development by developing and applying the ChIP-Seq method on histone modifications in early-gastrula embryos. Definition then functional validation of different categories of cis-regulatory elements led us to reveal some features of cis-regulation within compact and highly dynamic genomes. Together, our data constitute a unique functional resource for characterizing cis-regulatory elements in ascidians and questioning their evolution within the Chordates.

L'épigénome est défini par l’ensemble de l’information chromatinienne autre que celle fournie par la séquence ADN. Au sein d'une même espèce et pour un type cellulaire donné, chaque individu présente des caractéristiques particulières de l'épigénome. Les épi-polymorphismes, définis comme étant les différences inter-individus de marques chromatiniennes, sont encore partiellement caractérisés et peuvent être liés aux phénotypes de chacun. La première partie de mon travail a été d'identifier et d'interpréter chez S.cerevisiae l'impact des épi-polymorphismes de modification des queues d'histones. Pour y parvenir, j'ai cartographié les épigénomes de cinq modifications différentes (3 acétylations et 2 méthylations) chez trois souches de levures issues de différents isolats naturels. Par une méthode de ChIP-seq et le développement d'un outil informatique, j'ai comparé les épigénomes de ces souches à l'échelle de nucléosomes individuels. L'étude des propriétés génomiques des épi-polymorphismes m'a alors permis de découvrir certaines caractéristiques encore inconnues et décrites dans ce manuscrit.Par ailleurs, j'ai voulu aborder le lien entre épi-polymorphismes et réponse transcriptionnelle à l'environnement. Pour cela, j'ai construit un jeu de souches mutantes dérivées de souches naturelles, où certains épi-polymorphismes ne peuvent plus être maintenus. J'ai analysé par RNA-seq les transcriptomes de certaines de ces souches avant et après un changement environnemental. Malheureusement, l'analyse des résultats a révélé que la qualité des données ne permettent pas d'établir le lien recherché mais les outils mis en place sont désormais disponibles.J'ai enfin étudié la dynamique d'évolution d'un épigénome en présence ou en l'absence de pression de sélection. Pour cela, j'ai suivi une modification d'histone (l'acétylation de la lysine 14 de l'histone H3) chez la levure pendant 1.000 générations dans deux conditions d'évolution expérimentale différentes : l'une sélective, l'autre neutre. J'ai mis en évidence des différences remarquables et inattendues entre ces deux régimes évolutifs. Des études mécanistiques détaillées restent à faire pour caractériser la nature et les propriétés de ces différences. / Epigenome is defined as the entire chromatin information other than the DNA sequence. Within a given species and for a given cell type, each indivual has specific epigenomic characteristics. Epigenomic differences between individuals (refered to as 'epi-polymorphisms') remain poorly characterized, although cases were reported where they could be linked to phenotypic differences. In my thesis, I used the model organism S. cerevisiae to identify histone modification epi-polymorphisms and study their biological impact. I profiled the epigenome of five different histone modifications (3 acetylations and 2 methylations) in three natural yeast strains. By ChIP-seq methods and software developments, I compared these strains at single-nucleosome resolution and discovered novel characteristics of these epi-polymorphisms which are described in this manuscript.Furthermore, I constructed a research framework to investigate the link between epi-polimorphisms and response to environmental cues. For this, I built a set of mutant strains derived from natural strains but where some epi-polymorphisms can no longer be maintained. I analyzed by RNA-seq the transcriptomes of some of these mutant strains before and after an environmental shift. Unfortunately, the quality of this initial data produced was not sufficient to link epi-polymorphisms to differntial responses, but the strain resources remain available for further investigations. Finally, I studied the evolutionary dynamics of epi-polymorphisms in the presence or absence of selection pressure. To do so, I followed the evolution of H3K14ac for 1.000 generations under two conditions of yeast experimental evolution ( selective or neutral). Marked differences were observed between the two regimes, revealing unexpected consequences of the presence of selection. Further mechanistic studies will be needed to elucidate the full properties of these differences.