Malgré les progrès récents associés à l’utilisation des nucléases d’ingénierie du génome, certaines problématiques persistent. Par exemple, l’isolement des cellules génétiquement modifiées est un travail long et parfois laborieux. De plus, la spécificité des nucléases est aussi un point souvent mal caractérisé. Cette dernière peut avoir des conséquences importantes in vitro, mais particulièrement in vivo. Le but de mon projet de maitrise était de développer des techniques permettant d’adresser ces deux problématiques. Ici, nous avons créé une cassette de sélection auto-excisable qui exploite le processus de réparation par appariement simple brin (SSA) et qui permet une isolation simple de clones modifiés sans laisser de « cicatrices » dans l’ADN. Le procédé se base sur une sélection à la puromycine, une contre sélection au ganciclovir et une excision de la cassette de résistance via l’utilisation de nucléases thermosensibles. Nous avons démontré la faisabilité de cette approche en intégrant la protéine fluorescente EGFP au locus AAVS1 et en insérant une étiquette de purification au locus EZH2. Ce locus code la protéine Enhancer of Zeste Homolog 2 (EZH2). Dans un deuxième temps, nous avons évalué la possibilité d’utiliser deux paires de nickases pour créer deux cassures simple brin (SSB) et ainsi induire indirectement une cassure double brin dans l’ADN. Cette approche permet de diminuer de façon importante la possibilité de créer des mutations à des sites non-ciblés. Nous avons déterminé que deux SSBs doivent avoir lieu sur des brins opposés et à proximité afin de stimuler la modification génique voulue. Toutefois, ces paires de nickases ont une efficacité plus faible que les nucléases clivant au même endroit. Les nouveaux outils décrits dans ce mémoire permettront éventuellement de simplifier l’ingénierie du génome en diminuant la charge de travail nécessaire à l’enrichissement des cellules modifiées génétiquement et en augmentant la spécificité des nucléases, ce qui permet de réduire les probabilités de mutations à des loci hors cible. / Despite recent advances in the use of engineered nucleases, some issues remain. For example, isolation of genetically engineered cells is a long and sometimes laborious process. Moreover, the specificity of nucleases is often poorly characterized. The latter may have important consequences in vitro, but particularly in vivo. We aimed to develop techniques for addressing these two problems. Here we have created a self-excisable selection cassette that exploits the single-strand annealing (SSA) repair process and allows for simple isolation of modified clones and scarless genome editing. The method is based on puromycin selection, ganciclovir counter-selection and excision of the resistance cassette via the use of heat-sensitive nucleases. We demonstrate the feasibility of this approach by integrating the fluorescent protein EGFP at the AAVS1 locus and by inserting a purification tag at the EZH2 locus. This locus encodes the protein Enhancer of Zeste Homolog 2 (EZH2). Secondly, we evaluated the possibility of using two pairs of nickases to create two single-strand breaks that could be repaired as a double strand break. As a proof of concept, we created two single-strand breaks at a distance of 513 bp at the CCR5 locus. When they take place on opposite strands, the latter can recreate the effect of a double-strand break, but with a lower efficiency than the nucleases cleaving at the same site. We determined that the double-strand break effect created by two single-strand breaks increases as the distance between the two single-strand breaks decreases. The new tools described here make it possible to simplify genome engineering by reducing the workload necessary for the enrichment of genetically modified cells and by increasing the specificity of the nucleases by decreasing the potential for off-target mutagenesis.

Les complexes PRC1 et PRC2 contrôlent l’expression génique via l’organisation de la structure de la chromatine. Ce contrôle se fait par l’ajout de la marque H2AK119ub1 par le PRC1 et l’ajout de la marque H3K27me3 par le PRC2. Cette étude s’attache à étudier le rôle de la protéine Pcgf1 (membre du complexe PRC1) et de la protéine Ezh2 (membre du complexe PRC2) lors du développement du poisson-zèbre. Les gènes sont inactivés par TALEN. Le complexe PRC1 est formé par différentes protéines dont les Pcgf. Il existe de nombreux homologues Pcgf qui ont des fonctions distinctes. Cette étude s’intéresse au rôle de la protéine Pcgf1 lors du développement du poisson-zèbre. Les individus pcgf1-/- sont viables et fertiles. Cependant, leur développement précoce est retardé et les adultes montrent des signes de vieillissement accéléré. Ce mutant est le premier modèle de vertébré qui met en évidence le rôle de Pcgf1 dans la prolifération cellulaire lors du développement et son association au vieillissement. La protéine Ezh2 est impliquée dans le devenir cellulaire et la différenciation. Les embryons se développent normalement puis les larves meurent à 12 jours post-fécondation. De façon intéressante, les embryons de poisson-zèbre peuvent gastruler en l’absence d’Ezh2, contrairement au modèle murin. Les organes sont correctement mis en place à 5 jours post-fécondation. Les larves présentent un défaut de maintien de la paroi du bulbe intestinal. La protéine Ezh2 est importante pour le maintien du pancréas exocrine. L’absence d’Ezh2 cause une augmentation importante du nombre de cellules apoptotiques. Ezh2 est essentiel lors de la régénération de la nageoire caudale. / PCR1 and PRC2 are complexes that control gene expression via chromatin structure reorganization. This expression regulation is maintained by adding epigentics marks H2AK119ub1 by the PRC1 and adding of H3K27me3 by the PRC2. The study devotes to study the role of the protein Pcgf1 (part of the PRC1 complex) and of the Ezh2 protein (part of the PRC2 complex) during the zebrafish development. The PRC1 complex is formed by different proteins including Pcgf proteins. There are several Pcgf homologs that have different functions. The study reveals that some Pcgf proteins have a different expression during caudal fin regeneration and development. We are interested in Pcgf1 protein during the zebrafish development. The pcgf1 gene was inactivated by using TALEN. The fish pcgf1-/- are viable and fertile. However, the early development is delayed and adults show signs of accelerated aging. This mutant is the first vertebrate model showing the role of Pcgf1 in cells proliferation during development and aging. Ezh2 protein is involved in cell-fate decisions and differenciation. Inactivation of ezh2 gene by TALEN reveals the essential role of Ezh2 during development. Indeed, at the beginning embryos develop normally then larvae die at 12 days post-fertilization. Interestingly, zebrafish embryo can gastrulate without Ezh2. This contradicts with observations in mouse model. The organs are properly formed at 5 days postfertilization. Larvae show defects in the intestinal bulb wall. Ezh2 is important for exocrine pancreas maintenance. The absence of Ezh2 causes an increase in apoptic cells. Ezh2 is essential during caudale fin regeneration.

La recombinaison méiotique n'est pas distribué de manière aléatoire le long des chromosomes, mais est caractérisée par des domaines froids et chauds qui limitent la diversité génétique transmise par les gamètes. Cependant, le profil de la recombinaison méiotique peut être modifiée, étant donné que la fusion de l’ endonucléase Spo11 au domaine de liaison à l'ADN de Gal4 est suffisante pour favoriser la formation des cassures double brin (CDB) et la recombinaison à proximité des sites de liaison de Gal4, dans la levure et dans les souris. Ici, dans la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons étudié l'effet de la fusion de Spo11 à 8 protéines de liaison à l'ADN lors de la méiose. Comme modules de ciblage, nous avons utilisé des facteurs de transcription de levure et des protéines artificiels de liaison à l'ADN (TALEs et ZFs), qui sont apparus comme des outils efficaces pour faire varier la position et / ou le nombre de sites ciblés. Lors de l'expression de chacun des fusions Spo11, nous avons examiné la progression de la méiose, la formation des CDB dans les sites naturels et ciblées ainsi que le niveau relatif de la recombinaison méiotique. Ce travail dans l’organisme modèle levure ouvre de nouvelles voies pour modifier la recombinaison méiotique chez d'autres organismes, tels que des mammifères et des plantes, pour augmenter la diversité génétique dans les sites d'intérêt et disséquer l'information génétique, en surmontant les limitations dues à la liaison génétique. / Meiotic recombination is not randomly distributed along the chromosomes, but is characterized by hot and cold domains that limit the genetic diversity transmitted by the gametes. However, the recombination profile can be modified, since the tethering of Spo11 endonuclease, upon fusion to the Gal4 DNA-binding domain, is sufficient to enhance DSB formation and recombination near several Gal4 consensus binding sites, in yeast and in mouse. Here, in the yeast Saccharomyces cerevisiae, we studied the effect of Spo11 fusions to 8 different DNA-binding proteins during meiosis. As targeting modules, we used yeast full-length transcription factors and artificial DNA-binding modules (TALEs and ZFs), which emerged to be efficient tools to vary the location and /or the number of targeted sites. Upon expression of each of the Spo11 fusions, we examined meiotic progression, DSB formation at natural and targeted sites as well as the relative level of meiotic recombination. This work in the yeast model opens new avenues to modify meiotic recombination in other organisms, such as mammals and plants, to boost genetic diversity at sites of interest and to dissect the genetic information, overcoming the restrictions due to the genetic linkage.

L’édition du génome repose sur la création de cassures double brin à un endroit précis du génome à l’aide de nucléases artificielles (ZFN, TALEN, CRISPR/Cas9) et sur les différents systèmes de réparation que la cellule va mettre en place pour réparer ces dommages. Les deux systèmes de réparation principaux sont le NHEJ (Non Homologous End Joining) et la RH (Recombinaison Homologue). Le NHEJ consiste en une ligation directe des extrémités de la coupure pouvant induire de petites insertions ou délétions avant la ligation. Ces mutations, si elles sont introduites dans un exon, vont modifier le cadre de lecture et pouvoir inactiver le gène cible (Knock Out). La RH permet la réparation de la cassure en recopiant les informations présentes sur la chromatide soeur. Si un ADN exogène comportant des homologies avec la séquence à réparer est inséré avec les nucléases artificielles, la cellule peut le prendre comme matrice de réparation, il est ainsi possible d’insérer n’importe quelle mutation ou transgène de manière précise (Knock In). Ici, différentes stratégies ont été développées pour optimiser ces approches d’édition du génome. Le couplage du domaine Nter de la protéine CtIP à la nucléase Cas9 permet d’augmenter le taux d’insertion par homologie d’un transgène au site de coupure. Le couplage de l’exonucléase Trex2 à la nucléase Cas9 nickase permet quant à lui d’augmenter le taux de mutation après coupure. Ces nouvelles approches peuvent être largement utilisées et permettent de faciliter l’édition du génome. / Genome editing relies on the ability of artificial nucleases (TALEN or CRISPR/Cas9 system) to induce double strand break into a precise and unique sequence in a whole genome and on the different DNA repair system. The two major DNA repair systems are NHEJ (Non Homologous End Joining) and HR (Homologous Recombination). NHEJ consists on DNA end direct ligation. This system can lead to deletion or insertion at the cut site. These mutations, when induced in an exon, can induce reading frame change and gene inactivation (Knock out). HR consists on the use of sister chromatid to copy lost information in order to complete the double strand break. If an exogenous DNA with homologies with the targeted DNA is inserted with artificial nucleases, it can be used as a template and can permit to introduce any transgene at the cut site (Knock In). In this work, different strategies were used to optimize genome editing. By fusing Nter part of CtIP to Cas9, the KI rate of an exogenous DNA is increased and by fusing Trex2 exonuclease to Cas9, the mutation rate induced is also increased. These two approaches can be widely used to improve genome editing strategies.

La famille des Arenaviridae contient des virus transmis par les rongeurs responsables notamment de graves fièvres hémorragiques dont la fièvre de Lassa qui infecte chaque année 300 000 personnes. L’absence de solutions thérapeutiques efficaces (vaccins et/ou antiviraux) en fait une priorité d’étude. Il est donc urgent d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et des antiviraux spécifiques associés. Le génome des Arénavirus code pour deux nucléases possédant des fonctions cruciales pour la survie du virus. La protéine L possède un domaine endonucléase indispensable à la réplication virale réalisant le mécanisme de vol de coiffe. La protéine NP comporte un domaine exonucléase impliqué dans l’échappement au système immunitaire de l’hôte infecté. Ces deux enzymes possèdent un mécanisme d’action commun métal-dépendant de clivage de leur ARN substrat. Ce projet :1) se propose d’apporter la preuve de concept que ces deux enzymes sont de nouvelles cibles thérapeutiques pour combattre les Arénavirus.2) se base sur le criblage préalable d’une chimiothèque de 1ère génération sur l’endonucléase d’un Arénavirus et la découverte d’une famille de dicéto-­‐acides (DCAs) inhibitrice de son activité. Au cours de ce travail de thèse, une chimiothèque de 2nde génération de 22 composés a été synthétisée. Des voies de synthèses nouvelles et originales ont été développées. Les composés ont été évalués par des méthodes biophysiques pour leur capacité à se lier aux enzymes cibles, ont été évalués comme potentiels inhibiteurs dans des tests d’activité in vitro, et in cellula dans un test en mini-­‐génome. Certains composés se sont montrés de bons ligands, actifs in vitro et in cellula. / The Arenaviridae family comprises viruses transmitted by rodents responsible for several diseases such as hemorragic fevers among which Lassa fever infects 300,000 people each year. The current lack of effective vaccines and/or antivirals makes the development of therapeutic solutions of high priority. The genome of Arenaviruses encodes for two nucleases bearing crucial functions for virus survival. The L protein bears an endonuclease domain essential for viral replication through the cap-­‐snatching mechanism. The NP protein has an exonuclease domain involved in anti-­‐immune activity. Both enzymes share a common mode of action as they cleave their RNA substrate via a metal-­‐dependant (Mg2+) strategy. This work intends to :1) consider these two enzymes as novel Arenavirus therapeutic targets.2) take over a preliminary screening of a 1st generation of ligands on an Arenavirus endonuclease. Diketo-­‐acids (DKAs) have been discovered as potential inhibitors of its activity. To this end, a library of 2nd generation of 22 compounds was synthetized thanks to the development of an optimized synthesis pathway. Compounds were further evaluated by biophysical methods for their ability to bind therapeutic targets, as potential inhibitors in an in vitro assay and in cellula in a mini-­‐genome assay. Some of them are active in vitro and in cellula

L'application des techniques de séquençage à haut débit dans les dernières années a conduit à l'obtention de la séquence de génomes complets de plusieurs organismes. Le développement de nouveaux outils de génétique inverse était donc souhaitable afin de faire un usage optimal des données accumulées. Les nucléases hautement spécifiques représentent un outil unique pour induire des modifications ciblées du génome in vivo. L'induction d'une cassure double brin dans l'ADN est réparée soit par la voie de jonction d’extrémités nonhomologues soit par la voie très fidèle de la recombinaison homologue. Le ciblage d'un locus précis avec une nucléase spécifique stimule fortement la réparation de l'ADN, qui peut être utilisé pour induire des modifications ciblées dans le génome. Dans ma thèse, je vise à fournir une preuve de prinicipe pour l'utilisation des méganucléases et des transcription activator like effector nucléases (TALENs), deux classes communes de nucléases très spécifiques, comme nouveaux outils d'édition du génome chez le medaka, Oryzias latipes, et le poisson zèbre, Danio rerio. J'ai d’abord trouvé les conditions optimales d'utilisation de ces nucléases dans nos modèles de poissons. J'ai à cette occasion également développé une méthode très sensible et rapide pour la détection de modifications génomiques ciblées. J'ai ensuite induit des mutations au sein de trois gènes différents chez le poisson zèbre avec des TALENs. Les mutations dans le gène col6a1 ont conduit à la mise en évidence pour la première fois d’une technique de modification d’un site d’épissage d’un gène de poisson zèbre à l’aide d’une nucléase ciblée. Ce travail nous a permis d’établir une lignée de poisson avec une mutation dans le collagène VI alpha 1 qui est similaire à une mutation fréquemment trouvée chez les patients humains atteints de myopathie de Bethlem. De même, j’ai pu induire des mutations dans le gène nle1 du poisson zèbre qui vont permettre la mise en place de lignées de poissons mutants de ce gène. En outre, j'ai pu montrer qu’un nouveau type de nucléase, une TALEN Compact, était actif sur une cible chromosomique chez le poisson zèbre. En conclusion, les études que j'ai effectuées ont apporté la preuve de principe pour l'activité de TALENs et Compact TALENs ainsi que la première démonstration de modification de l'épissage à l’aide d’une TALEN chez le poisson zèbre et ont abouti à la mise en place d'une lignée de poisson dont le phénotype est proche d’un syndrome humain ouvrant la voie à la création de modèles pour d’autres mutations de ce type. Pour finir, je discute dans cette thèse des conditions permettant un usage le plus efficace des nucléases ciblées pour la génération de mutants et l’édition du génome. / The application of high throughput sequencing techniques in the recent years has led to obtaining the full genome sequences of many organisms. The development of novel tools for reverse genetics was thus desirable to make optimal use of the accumulated data. Site directed nucleases represent a unique platform to induce targeted genome modifications in vivo. Targeting a precise locus with a highly specific nuclease stimulates DNA repair, which can be harnessed for genome editing. Induction of a double strand break in DNA is repaired by either the error prone pathway of nonhomologous end joining or the high fidelity pathway of homologous recombination in the cell. Both mechanisms can be used to insert foreign DNA into the genome of the host. In my thesis, I aimed to provide proof of principle for the use of meganucleases and transcription activator like effector nucleases (TALENs), two common classes of site directed nucleases, as novel tools for genome editing in medaka, Oryzias latipes, and zebrafish, Danio rerio. During the first years of my thesis, I found the optimal conditions to use these nucleases in our fish models. I also developed a very sensitive and rapid method for detection of targeted genome modifications. I then induced mutations at three different endogenous loci in zebrafish with TALENs. The mutations in the col6a1 gene led to the first demonstration of splicing site modification in zebrafish using a TALE nuclease. This allowed the establishment of a fish line with a mutation in type VI collagen alpha 1 chain homologous to one mutation frequently found in human patients with Bethlem myopathy. Then I generated mutations in the nle1 gene which are heritable and from which establishment of mutant fish lines is in progress. In addition, by using the method for detection of targeted genome modifications I developed, I showed that a novel type of nuclease, a Compact TALEN, was active on a chromosomal target in zebrafish. In conclusion, the studies I performed provided proof of principle for the activity of TALENs and Compact TALENs as well as the first demonstration of TALEN-Mediated modification of splicing in zebrafish and resulted in the establishment of a fish line with mutated collagen VI. Induction of heritable mutations in the nle1 gene in zebrafish was also confirmed. Additionally, I proved that the choice of expression vector is crucial for the synthesis of active site directed nucleases for use in fish and established a novel efficient method for detection of targeted genomic mutations.

Les colicines sont des toxines antibactériennes d’Escherichia coli qui sont relâchées par les cellules productrices (colicinogènes) dans le milieu extracellulaire en réponse à des conditions de stress environnementaux. Les colicines D et E3 sont des RNases qui clivent respectivement les tRNAArg et le 16S RNA ribosomique. Les deux colicines parvenues au cytoplasme de la cellule cible provoquent ainsi la mort par inactivation de la machinerie de biosynthèse des protéines. L’import de ces deux colicines nécessite d’abord le détournement de deux systèmes cellulaires différents (FepA/TonB ou BtuB/Tol) de leur fonction physiologique, permettant leur translocation à travers la membrane externe. L’idée que par la suite la translocation à travers la membrane interne nécessite au préalable une étape de processing des colicines nucléases est ancienne, mais elle n’a jamais été démontrée formellement. Nos travaux ont permis de montrer qu’une coupure endoprotéolytique des deux colicines constitue une étape de « processing » essentielle de leur action toxique. Nous avons détecté la présence du domaine C-terminal catalytique des deux colicines dans le cytoplasme des cellules cibles préalablement exposées à la toxine. Les mêmes fragments processés (PF) ont été identifiés dans les cellules sensibles et dans les cellules immunes contre ces colicines, qui sont protégées par une protéine d’immunité spécifique, formant un complexe neutre avec le domaine catalytique. Nous avons démontré que la protéase essentielle de la membrane interne, FtsH, est nécessaire au processing des deux colicines pendant leur import. Nous avons montré aussi que la signal-peptidase LepB, une autre enzyme essentielle de la membrane interne, interagit directement avec le domaine central de la colicine D in vitro et ainsi elle est un facteur protéique spécifiquement nécessaire au processing de la colicine D. Cependant ce n’est pas l’activité catalytique de LepB qui est impliquée dans la toxicité de la colicine D, mais elle jouerait un rôle structural. LepB ainsi faciliterait probablement l’association de la colicine D avec la membrane interne en vue de la reconnaissance de la toxine par FtsH. Nous avons aussi montré que la protéase OmpT de la membrane externe est responsable d’une coupure endoprotéolytique alternative, qui refléte probablement son rôle bien connu dans le système de défense des bactéries contre les peptides anti-microbiens. Même si cette coupure in vitro permet de libérer le domaine catalytique des colicines D et E3, il est établit maintenant que la protéase OmpT n’est pas impliquée dans le processing des colicines durant leur import dans le cytoplasme. / Colicins are antibacterial toxins of Escherichia coli that are released into the extracellular medium in response to environmental stress conditions. Colicin D is an RNase that cleaves the anticodon loop of all four isoaccepting tRNAArg. Colicin E3 cleaves 16 S ribosomal RNA. Both colicins provoke cell death by inactivating the protein biosynthetic machinery. Colicin producer cells are protected against both endogenous and exogenous toxin molecules by the constitutive expression of a cognate immunity protein, which forms a tight heterodimer complex with the nuclease domain of the colicin. The import of both colicins first requires the “hijack” of some distinct functions of the target cell (namely the BtuB/Tol and FepA/TonB systems, respectively), this allowing their translocation across the outer membrane. It has long been suggested that the import of nuclease colicins requires protein processing during the translocation across the inner membrane; however it had never been formally demonstrated. Our work shows that the two different RNase colicins E3 and D undergo a processing step inside the cell that is essential to their killing action. We have detected the presence of the C-terminal catalytic domains of these colicins in the cytoplasm of target bacteria. The same processed forms (PF) were identified in both colicin-sensitive cells and in cells immune to colicins, because of the expression of the cognate immunity protein. We demonstrate that the inner membrane protease FtsH is necessary for the processing of colicins D and E3 during their import. We also show that the signal peptidase LepB interacts directly with the central domain of colicin D in vitro and that it is a specific but not a catalytic requirement for in vivo processing of colicin D. The interaction of colicin D with LepB may ensure a stable association with the inner membrane that in turn allows the colicin recognition by FtsH. We have also shown that the outer membrane protease OmpT is responsible for alternative and distinct endoproteolytic cleavages of colicins D and E3 in vitro, presumably reflecting its known role in the bacterial defense against antimicrobial peptides. Even though the OmpT-catalyzed in vitro cleavage also liberates the catalytic domain from colicins D and E3, it is not involved in the processing of nuclease colicins during their import into the cytoplasm