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.

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist ein vielseitiger Modellorganismus sowohl in der Grundlagenforschung als auch für biotechnologische Anwendung. Für die genetische Veränderung wurden verschiedene Methoden entwickelt, jedoch ist die gezielte Modifikation kerncodierter Gene immernoch sehr schwierig. In dieser Arbeit wird eine Strategie vorgestellt, die es ermöglicht, kerncodierte Gene in Chlamydomonas gezielt mit sequenzspezifischen Zinkfinger-Nukleasen zu verändern. Das COP3-Gen, welches den lichtaktivierbaren Ionenkanal Kanalrhodopsin-1 codiert, diente hierbei als Zielsequenz der für die Deletion hergestellten Zinkfinger-Nukleasen. Um eine Charakterisierung der ZFNs zu ermöglichen, wurde ein Modelstamm generiert, der ein inaktiviertes Markergen enthält. Die Inaktiverung erfolgte hierbei durch Insertion der COP3-ZFN Zielsequenz. Die Transformation dieses Modellstamms mit ZFN codierender Plasmid-DNA und einem Reparatur-Template ermöglichte die Wiederherstellung der Markeraktivität und eine Selektion Antibiotika-resistenter Kolonien. Wenn in diesen Experimenten zusätzlich ein COP3 veränderndes Template benutzt wurde, enthielt 1% der analysierten Klone ein mutiertes COP3-Gen. Der Chlamydomonas Augenfleck ist ein lichtsensitives Organell mit entscheidender Funktion für die phototaktische Orientierung der Alge. Eine Deletionsmutante des Blaulicht-Photorezeptors Phototropin zeigte in Experimenten eine veränderte Regulation der lichtabhängigen Augenfleckgröße. Durch Komplementierung der Phototropin-Dysfunktion konnte der lichtabhängige Regulationsprozess wiederhergestellt werden. Die Expression der Phototropin-Kinasedomäne führte zu einer lichtunabhängigen Reduktion der Augenfleckfläche. Interessanterweise führte auch die Expression der N-terminalen LOV-Domänen zu einer geänderten Regulation des Augenflecks und der Phototaxis. Dies deutet, zusätzlich zur Lichtregulation der Kinasedomäne, auf eine zelluläre Signalfunktion der LOV-Domänen hin. / The unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii is a versatile model for fundamental and biotechnological research. A wide toolset for genetic manipulation has been developed for this alga, but specific modification of nuclear genes is still not routinely possible. Here we present a nuclear gene targeting strategy for Chlamydomonas that is based on the application of zinc-finger nucleases (ZFNs). Initially, we designed a set of ZFNs for targeting the COP3 gene that encodes the light-activated ion channel channelrhodopsin-1. To evaluate the designed ZFNs, we constructed a model strain by inserting a non-functional selection marker interspaced with a short COP3 target sequence into the nuclear genome. Upon co-transformation of this recipient strain with the engineered ZFNs and a DNA repair template, we were able to restore marker activity and select antibiotic resistant clones with active nucleases. In cases where cells were co-transformed with a modified COP3 template, 1% of these clones contained a modified COP3 locus as well. The eyespot of Chlamydomonas is a light-sensitive organelle important for phototactic orientation of the alga. Here we found that eyespot size is downregulated in light. In a strain in which the blue light photoreceptor phototropin was deleted, the light regulation of the eyespot size was affected. We restored this dysfunction in different phototropin complementation experiments. Complementation with the phototropin kinase fragment reduced the eyespot size, independent of light. Interestingly, overexpression of the N-terminal LOV-domains alone also affected eyespot size and phototaxis, suggesting that aside from activation of the kinase domain, they fulfill an independent signaling function in the cell. We propose that phototropin is a light regulator of phototaxis that desensitizes the eyespot when blue light intensities increase.

Kallikrein-related peptidases (KLKs) constitute a highly conserved serine protease family. Based on in vitro experiments, KLKs are predicted to play an important role in a number of physiolog- ical and pathophysiological processes. However, their role in vivo remains not fully understood, partially due to a lack of suitable animal models. In this work, we aim to prepare a KLK5 and KLK14 double-deficient mouse model. Both KLK5 and KLK14 were proposed to be involved in epidermal proteolytic networks critical for maintaining skin homeostasis. However, both KLK5 and KLK14 single-deficient mouse models show minimal or no phenotype, likely due to similar substrate specificity resulting in functional compensation. Double-deficient mice cannot be easily obtained by crossing due to localization of the Klk5 and Klk14 genes within the same locus on chromosome 7. We report that KLK5 and KLK14 double-deficient mice were success- fully generated, mediated by transcription activator-like effector nucleases (TALENs) targeting Klk14 by microinjection of TALEN mRNA into KLK5-deficient zygotes. Furthermore, we show that KLK5 and KLK14 double-deficient mice are viable and fertile. We believe that these novel mouse models may serve as a useful experimental tool to study KLK5 and KLK14 in vivo.

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

A expressão de Smads e de membros da família AP1/ jun-fos podem refletir alterações da via de TGFb, uma via importante para o câncer epidermóide de cabeça e pescoço (HNSCC). Encontramos expressão aumentada dos mRNAs das Smads1-8 em HNSCC em comparação com tecido normal adjacente, por RPA. Além disso, as curvas de sobrevida de Kaplan Meier e a análise multivariada mostraram que a Smad6+ parece ser um fator determinante de bom prognóstico em HNSCC. Quanto a família AP-1, mensurado por Northern blot, somente Fra-1 mostrou-se aumentado no tumor e associado à presença de linfonodos comprometidos. Nossos dados sugerem que a positividade de Smad6 possa ser marcador de bom prognóstico em HNSCC / Smad and AP1 messenger RNA expression may underlie disruptions affecting TGFb signaling in head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Analysis of Smads1-8 mRNA expression by RPA has shown Smad expression is globally increased in tumor as compared to adjacent normal tissue. Kaplan Meier survival curves and multivariate analysis revealed that Smad6 positivity in tumor was an independent good prognostic factor in HNSCC. In relation to AP-1, as measured by Northern blot, only Fra-1 was overexpressed in tumor and directly related to the presence of lymph node involvement. Our data suggest that Smad6 may be a marker of good prognosis in HNSCC

A expressão de Smads e de membros da família AP1/ jun-fos podem refletir alterações da via de TGFb, uma via importante para o câncer epidermóide de cabeça e pescoço (HNSCC). Encontramos expressão aumentada dos mRNAs das Smads1-8 em HNSCC em comparação com tecido normal adjacente, por RPA. Além disso, as curvas de sobrevida de Kaplan Meier e a análise multivariada mostraram que a Smad6+ parece ser um fator determinante de bom prognóstico em HNSCC. Quanto a família AP-1, mensurado por Northern blot, somente Fra-1 mostrou-se aumentado no tumor e associado à presença de linfonodos comprometidos. Nossos dados sugerem que a positividade de Smad6 possa ser marcador de bom prognóstico em HNSCC / Smad and AP1 messenger RNA expression may underlie disruptions affecting TGFb signaling in head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Analysis of Smads1-8 mRNA expression by RPA has shown Smad expression is globally increased in tumor as compared to adjacent normal tissue. Kaplan Meier survival curves and multivariate analysis revealed that Smad6 positivity in tumor was an independent good prognostic factor in HNSCC. In relation to AP-1, as measured by Northern blot, only Fra-1 was overexpressed in tumor and directly related to the presence of lymph node involvement. Our data suggest that Smad6 may be a marker of good prognosis in HNSCC

Die Modifikation von Genen ist in den molekularen Biowissenschaften ein fundamentales Werkzeug, um die Funktion von Genen zu studieren (Reverse Genetik). Diese Arbeit hat erfolgreich Zinkfinger- und CRISPR/Cas9-Nukleasen für die Verwendung in C. reinhardtii etabliert, um Gene im Kerngenom gezielt auszuschalten und präzise zu verändern. Basierend auf vorausgegangener Arbeit mit Zinkfingernukleasen (ZFN) konnte die Transformationseffizienz um das 300-fache verbessert werden, was die Inaktivierung von Genen auch in motilen Wildtyp-Zellen ermöglichte. Damit war es möglich, die Gene für das Kanalrhodopsin-1 (ChR1), Kanalrhodopsin-2 (ChR2) und das Chlamyopsin-1/2-Gen (COP1/2) einzeln und gemeinsam auszuschalten. Eine Analyse der Phototaxis in diesen Stämmen ergab, dass die Phototaxis durch Inaktivierung von ChR1 stärker beeinträchtigt ist als durch Inaktivierung von ChR2. Um das CRISPR/Cas9-System zu verwenden, wurden die Transformationsbedingungen so angepasst und optimiert, dass der Cas9-gRNA-Komplex als in vitro hergestelltes Ribonukleoprotein in die Zellen transformiert wurde. Um die Bedingungen für präzise Genmodifikationen zu messen und zu verbessern, wurde das SNRK2.2-Gen als Reportergen für eine „Blau-Grün Test“ etabliert. Kleine Insertionen von bis zu 30 bp konnten mit kurzen Oligonukleotiden eingefügt werden, während größere Reportergene (mVenus, SNAP-Tag) mithilfe eines Donor-Plasmids generiert wurden. In dieser Arbeit konnten mehr als 20 nicht-selektierbare Gene – darunter 10 der 15 potenziellen Photorezeptorgene – mit einer durchschnittlichen Mutationsrate von 12,1 % inaktiviert werden. Insgesamt zeigt diese Arbeit in umfassender Weise, wie Gen-Inaktivierungen und Modifikationen mithilfe von ZFNs und des CRISPR/Cas9-Systems in der Grünalge C. reinhardtii durchgeführt werden können. Außerdem bietet die Sammlung der zehn Photorezeptor-Knockouts eine aussichtsreiche Grundlage, um die Vielfalt der Photorezeptoren in C. reinhardtii zu erforschen. / Gene editing is a fundamental tool in molecular biosciences in order to study the function of genes (reverse genetics). This study established zinc-finger and CRISPR/Cas9 nucleases for gene editing to target and inactivate the photoreceptor genes in C. reinhardtii. In continuation of previous work with designer zinc-finger nucleases (ZFN), the transformation efficiency could be improved 300-fold, which enabled the inactivation of genes in motile wild type cells. This made it possible to disrupt the Channelrhodopsin-1 (ChR1), Channelrhodopsin-2 (ChR2) and Chlamyopsin-1/2 (COP1/2) genes individually and in parallel. Phototaxis experiments in these strains revealed that the inactivation of ChR1 had a greater effect on phototaxis than the inactivation of ChR2. To apply the CRISPR/Cas9 system, the transformation conditions were adapted and optimized so that the Cas9-gRNA complex was successfully electroporated into the cells as an in vitro synthesized ribonucleoprotein. This approach enabled gene inactivations with CRISPR/Cas9 in C. reinhardtii. In order to measure and improve the conditions for precise gene modifications, the SNRK2.2 gene was established as a reporter gene for a ‘Blue-Green test’. Small insertions of up to 30 bp were inserted using short oligonucleotides, while larger reporter genes (mVenus, SNAP-tag) were integrated using donor plasmids. Throughout this study, more than 20 non-selectable genes were disrupted, including 10 of the photoreceptor genes, with an average mutation rate of 12,1 %. Overall, this work shows in a comprehensive way how gene inactivations and modifications can be performed in green alga C. reinhardtii using ZFNs or CRISPR/Cas9. In addition, the collection of the ten photoreceptor knockouts provides a promising source to investigate the diversity of photoreceptor genes in C. reinhardtii.