L’épissage, une étape majeure de l’expression des gènes, consiste en l’élimination des introns et la production de transcrits matures ou ARNm. La régulation ou des perturbations de l’épissage sont impliquées dans de nombreuses situations physiopathologiques. Dans ce travail, j’ai utilisé et analysé par des approches de bio-informatiques un grand nombre de données générées à large échelle afin de mieux définir les règles gouvernant la reconnaissance des exons au cours de l’épissage. Je montre que les mécanismes de reconnaissance des exons dépendent du biais de la composition nucléotidique des gènes qui les hébergent. Ainsi, la reconnaissance des exons hébergés par des gènes enrichis en guanine et cytosine dépend essentiellement de leur site 5’ d’épissage qui peut être masqué par des structures secondaires. La reconnaissance des exons hébergés par des gènes enrichis en thymine et adénine dépend essentiellement des signaux d’épissage situés en amont des exons. Je montre également que l’organisation chromatinienne est différente selon les biais de composition nucléotidique des gènes et que cela a un impact spécifique sur la reconnaissance des exons. De nombreuses études démontrent que les gènes ne sont pas organisés de façon aléatoire dans un génome et que l’architecture des gènes et des chromosomes dépend de leur composition nucléotidique. Par conséquent, mes travaux suggèrent qu’il existe un lien direct entre composition nucléotidique d’une région du génome, architecture de la chromatine et sélection des exons au cours de l’épissage. / Splicing, a major step in gene expression, consists in the removal of the introns and the production of mature transcripts or mRNA. The regulation of or the disturbances in splicing are involved in numerous physiopathological situations. In this work, I used and analysed with bio-informatic approaches a lot of genome-wide datasets in order to define better the rules governing exon recognition during the splicing step. I show in this work that the mechanisms of exon recognition depend on the nucleotidic composition bias of the genes which host these exons. Thus, the recognition of the exons located in genes enriched with guanine and cytosine essentially depends on their 5' splicing site, which can be hidden by secondary structures. The recognition of the exons located in genes enriched with thymine and adenine essentially depends on splicing signals placed upstream the exons. Moreover, I show that the chromatin organization varies according to the nucleotidic composition bias in the genes, and that it has a particular impact on exon recognition. A lot of studies have shown that the genes are not randomly organized in a genome and that the architecture of the genes and of the chromosomes depends on their nucleotidic composition. Put together, my work suggests that it exists an direct link between the nucleotidic composition of a genomic region, the chromatin architecture and the recognition of the exons during the splicing step.

Au cours de l'évolution, les cellules eucaryotes ont acquis une enveloppe nucléaire (NE) renfermant et protégeant le génome organisé en chromatine, une structure où l'ADN s’enroule autour de protéines histones. La NE est composé de deux membranes : du côté nucléoplasmique, la membrane nucléaire interne (INM) et du côté cytoplasmique, la membrane nucléaire externe. La NE permet la communication entre les deux compartiments par le biais des complexes de pores nucléaires et relie le cytosquelette au nucléosquelette via le complexe LINC (LInker of Nucleoskeleton to Cytoskeleton). Ainsi, le nucléosquelette associé à l'INM est nécessaire pour transmettre des signaux au noyau et induire des changements dans l'organisation de la chromatine et finalement dans l'expression des gènes.Une nouvelle famille de protéines associées à l'enveloppe nucléaire (NEAP),proposées comme nouveaux composants du nucléosquelette de la plante, a récemment été mise en évidence dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ces protéines sont codées par une famille de trois gènes et sont ciblées vers le noyau via un NLS où elles sont ancrées à l'INM via leur domaine transmembranaire C-terminal. Les protéines AtNEAPs possèdent également plusieurs longs domaines en spirale (coiled-coil) rappelant la structure des lamines chez les animaux. Cette thèse visait à réaliser une analyse fonctionnelle des AtNEAPs à l'aide de lignées mutantes T-DNA et CRISPR/Cas9. L'interactome AtNEAP a été étudié par des approches moléculaires (Yeast Two Hybrid), indiquant des interactions entre AtNEAPs pouvant former des homo- ou hétéro-dimères; ainsi que la localisation et la co-localisation in vivo couplées à de l’imagerie (apFRET), qui ont confirmé les interactions avec le facteur de transcription (TF) AtbZIP18. Les anticorps spécifiques à AtNEAP générés au cours de cette étude ont été utilisés pour confirmer l'expression in vivo. En outre, les résultats ont indiqué que les AtNEAPs font partie du nucléosquelette et jouent un rôle dans l’ancrage des TF à l’INM afin de maintenir la morphologie nucléaire et l’organisation de la chromatine. / During evolution, eukaryotic cells have acquired a nuclear envelope (NE) enclosingand protecting the genome, which is organized in chromatin, a structure wrapping DNAaround histone proteins. The NE is composed of two membranes: on the nucleoplasmic side,the Inner Nuclear Membrane (INM) and on the cytoplasmic side, the Outer NuclearMembrane. The NE allows communication between both compartments through Nuclear PoreComplexes and bridges the cytoskeleton to the nucleoskeleton through the LInker ofNucleoskeleton to Cytoskeleton complex. Thus, the nucleoskeleton associated with the INMis needed to transmit signals to the nucleus and induce changes in chromatin organisation andultimately gene expression.A novel family of NUCLEAR ENVELOPE ASSOCIATED PROTEINS (NEAPs)proposed to be new components of the plant nucleoskeleton has been recently evidenced inthe model plant Arabidopsis thaliana. AtNEAP proteins are encoded by a small gene familycomposed of three genes and are targeted through a nuclear localisation signal to the nucleuswhere they are anchored at the INM through their C-terminal transmembrane domain.AtNEAPs also possess several long coiled-coil domains reminiscent of the lamin structure inanimals. This thesis aimed at performing a functional analysis of AtNEAPs using T-DNAinsertion and CRISPR/Cas9 mutant lines. The AtNEAP interactome was investigated bymolecular approaches (Yeast Two Hybrid), which indicated AtNEAP interactions with eachother to form homo or hetero-dimers; as well as in vivo localisation and co-localisationcoupled to image analyses (apFRET, acceptor photobleaching Fluorescence ResonanceEnergy Transfer), which confirmed interactions with the transcription factor (TF) AtbZIP18.AtNEAP specific antibodies generated during this study were used to confirm expression invivo. Altogether, results indicated that AtNEAPs are part of the nucleoskeleton, with a role inanchoring TFs at the INM to maintain nuclear morphology and chromatin organisation.

Des centaines de mutations du gène LMNA codant les lamines A/C, protéines nucléaires de la famille des filaments intermédiaires, causent des pathologies. Pour ma thèse, j’ai étudié la mutation LMNA p.R388P, nouvellement identifiée comme responsable de dystrophie musculaire congénitale (L-CMD) associée à une lipodystrophie. Mes objectifs étaient de caractériser les propriétés des lamines mutées et leur impact dans des cellules et dans un muscle squelettique.Résultats : 1) La culture ex vivo de fibroblastes de peau de la patiente a révélé leur entrée prématurée en sénescence. 2) Dans des modèles de cellules immortalisées, la lamine A mutante surexprimée, qui s’accumule exclusivement dans le nucléoplasme et est anormalement soluble a modifié les propriétés de ses partenaires LAP2α et émerine, augmenté le nombre de gènes liés par les lamines A, diminué la compaction de la chromatine et induit des dysmorphies nucléaires. Le traitement des cellules avec des inhibiteurs d’histones acétyltransférases ou désacétylases n’a pas restauré la forme des noyaux. 3) Dans le muscle tibial antérieur de souris injecté avec des virus adéno-associés codant les lamines A mutantes, le nombre de fibres oxydatives de type IIA est diminué et l’expression de quelques gènes est modifiée.Conclusion : Nous avons montré que les lamines A R388P altèrent la structure du noyau, l’intégrité de l’enveloppe nucléaire et l’organisation/expression du génome, avec des conséquences sur le typage des fibres de muscle squelettique. De par ses effets pléiotropes, la lamine A mutante apparaît particulièrement toxique, en accord avec la sévérité de la pathologie observée chez la patiente. / Hundreds of mutations in the LMNA gene coding lamins A/C, nuclear intermediate filament proteins, cause several diseases. For my thesis, I studied the p.R388P LMNA mutation, newly identified as responsible for congenital muscular dystrophy (L-CMD) associated with lipodystrophy. My goals were to determine the properties of the mutant lamin A and its impact in cells and a skeletal muscle.Results: 1) Ex vivo culture of patient skin fibroblasts revealed their premature entry into senescence. 2) In immortalised cell lines, the overexpression of the mutant lamin A, which accumulates exclusively in the nucleoplasm and is abnormally soluble, modified the properties of two partners, LAP2α and emerin, increased the amount of genes bound by lamin A, decreased the compaction of chromatin and induced nuclear dysmorphies. Treatment of cells with histone acetyltransferase or deacetylase inhibitors did not rescue nuclear shape. 3) In mouse tibialis anterior muscle injected with adeno-associated virus coding for mutant lamin A, the number of oxidative type IIA myofibres was decreased and expression of few genes modified. Conclusion: We showed that R388P lamins A alter the structure of nuclei, nuclear envelope integrity and the organisation/expression of the genome, with consequences on skeletal muscle fibre typing. Because of its pleiotropic effects, the mutant lamin A appears particularly toxic, in agreement with the severity of the patient’s disease.

Chez les mammifères, l'ADN des cellules interphasiques s'organise en une fibre chromatinienne confinée à l'intérieur de « territoires chromosomiques ». Ce confinement autorise l'établissement d'interactions à longue distance permettant une régulation fine des fonctions génomiques. Toutefois, l'organisation et la dynamique de la chromatine à l'échelle dite supranucléosomale (10 à 500 kb) reste méconnue. Afin d'étudier la chromatine à cette échelle, nous avons utilisé la méthode dite de 3C-qPCR qui permet de mesurer les fréquences d'interactions entre deux portions génomiques. Dans un premier temps, nous avons analysé les collisions aléatoires afin de déterminer l'organisation intrinsèque de la chromatine à l'échelle supranucléosomale. Nos résultats indiquent que, en l'absence d'interactions spécifiques, les collisions aléatoires dans les régions riches en gènes présentent une modulation d'une périodicité d'environ 90kb. Cette modulation semble être sous-jacente à de nombreuses interactions spécifiques et avoir des répercutions sur leur positionnement génomique contribuant ainsi à l'évolution des génomes. Des modèles, dérivés de la physique des polymères, suggèrent que la chromatine s'organise dans ces régions en une hélice statistique. Dans un second temps, nous avons abordé l'organisation tridimensionnelle du locus murin Igf2/H19 soumis à l'empreinte génomique parentale. Les interactions spécifiques identifiées entre des « enhancers » endodermiques et certaines portions du locus ont confirmé l'existence d'une hiérarchie des interactions et ont permis la découverte d'un nouveau locus soumis à l'empreinte (PIHit). Ce locus produit un ARN non codant que nous avons caractérisé mais dont la fonction exacte reste à déterminer.Finalement, mes travaux de thèse ont aussi conduit à la mise au point d'une nouvelle technologie (HRS-SEQ) qui permettra d'aborder l'organisation génomique globale par le biais des séquences récupérées à haut-sel (HRS). / In mammal, the DNA of interphasic cells is organized into the chromatin fiber which is itself confined inside “chromosome territories”. This compact organization allows the establishment of long-range interactions involved in the fine regulation of genomic processes. However, the organization and the dynamic of the chromatin at the so-called supranucleosomal scale (10 to 500kb) remain unclear. In order to study the chromatin at this scale, we used the 3C-qPCR method that allows to measure interaction frequencies between two genomic regions. Firstly, we have analyzed random collisions in order to determine the intrinsic organization of the chromatin at the supranucleosomal scale. Our data indicates that, in the absence of specific interactions, random collisions in gene-rich regions show a periodic modulation of about 90kb. This modulation seems to be underlying numerous locus-specific interactions and have repercussions on their genomic location, thus contributing to genome evolution. Models, derived from polymers physics, suggest that, in these regions, the chromatin is shaped in a statistical helix. Secondly, we have investigated the tridimensional organization of the Igf2/H19 mouse locus which is subject to genomic imprinting. Specific interactions identified between endodermic enhancers and some regions of the locus have confirmed the existence of a hierarchy of interactions and allowed the discovery of a new imprinted locus (PIHit). This locus produces a non-coding RNA that we have characterized but for which the function remains to be determined.Finally, my work also led to the development of a new technology (HRS-SEQ) that allows to study global genome organization through mapping of high-salt recovered sequences (HRS).

Notre génome est constamment attaqué par des facteurs endogènes et exogènes qui menacent son intégrité et conduisent à différents types de dommages. Les cassures double brins (CDBs) font partie des dommages les plus nuisibles car elles peuvent entraîner la perte d'information génétique, des translocations chromosomiques et la mort cellulaire. Tous les processus de réparation se déroulent dans le cadre d'une chromatine hautement organisée et compartimentée. Cette chromatine peut être divisée en un compartiment ouvert transcriptionnellement actif (euchromatine) et un compartiment compacté transcriptionnellement inactif (hétérochromatine). Ces différents degrés de compaction jouent un rôle dans la régulation de la réponse aux dommages à l’ADN. L'objectif de mon premier projet était de comprendre l'influence de l'organisation 3D du génome sur la réparation de l'ADN. Pour cela, j’ai utilisé deux approches complémentaires dans le but d’induire et de cartographier les CDBs dans le génome de souris. Mes résultats ont mis en évidence un enrichissement de γH2AX, facteur de réparation des dommages à l’ADN, sur différentes régions du génome de cellules souches embryonnaires de souris, et ont également montré que les dommages persistent dans l’hétérochromatine, contrairement à l’euchromatine qui est protégée des dommages. Pour mon deuxième projet, j'ai cartographié l'empreinte génomique de 53BP1, facteur impliqué dans la réparation des CDBs, dans des cellules U2OS asynchrones et des cellules bloquées en G1 afin d’identifier de nouveaux sites de liaison de 53BP1. Mes résultats ont permis d’identifier de nouveaux domaines de liaison de 53BP1 couvrant de larges régions du génome, et ont montré que ces domaines de liaison apparaissent dans des régions de réplication moyenne et tardive. / Our genome is constantly under attack by endogenous and exogenous factors which challenge its integrity and lead to different types of damages. Double strand breaks (DSBs) constitute the most deleterious type of damage since they maylead to loss of genetic information, translocations and cell death. All the repair processes happen in the context of a highly organized and compartmentalized chromatin. Chromatin can be divided into an open transcriptionally active compartment (euchromatin) and a compacted transcriptionally inactive compartment (heterochromatin). These different degrees of compaction play important roles in regulating the DNA damage response. The goal of my first project was to understand the influence of 3D genome organization on DNA repair. I used two complementary approaches to induce and map DSBs in the mouse genome. My results have shown that enrichment of the DNA damage repair factor γH2AX occurs at distinct loci in the mouse embryonic stem cell genome and that the damage persists in the heterochromatin compartment while the euchromatin compartment is protected from DNA damage. For my second project, I mapped the genomic footprint of 53BP1, a factor involved in DSBs repair, in asynchronous and G1 arrested U2OS cells to identify novel 53BP1 binding sites. My results have identified novel 53BP1 binding domains which cover broad regions of the genome and occur in mid to late replicating regions of the genome.

Le complexe linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) est un complexe protéique conservé au cours de l’évolution, reliant les compartiments cytoplasmiques et nucléaires au travers la membrane nucléaire. Bien que les données récentes montrent une de ce complexe dans la régulation de la morphologie nucléaire et de la méiose, son implication dans l’organisation de la chromatine a été moins étudié chez les plantes. Le premier objectif de ce travail était de développer un plugin NucleusJ ImageJ dédié à la caractérisation de la morphologie nucléaire et de l’organisation de la chromatine en 3D. NucleusJ calcul 15 paramètres, y compris la forme et la taille des noyaux ainsi que des objets intra-nuclaires et leur position dans le noyau. Une documentation pour ce programme est disponible pour son utilisation, ainsi que des qu’un jeu données de noyaux pour tester ce programme. Plusieurs améliorations sont en cours pour développer une nouvelle version de ce plugin. Dans une deuxième partie de ce travail, des méthodes d’imagerie 3D ont été utilisées pour étudier la morphologie nucléaire et l’organisation de la chromatine dans les noyaux interphasiques chez Arabidopsis thaliana dans lequel les domaines d’htrochromatique sont groupés en régions detectable appelés chromocentres. Ces chromocentres forment un environnement répressif contribuant la rpression transcriptionnelle de séquences répétées permettant la stabilité du génome. Des mesures quantitatives de la position 3D de chromocentres dans le noyau montrent que la plupart chromocentres sont situés proximité de la périphérie du noyau, mais que cette distance peut être modifiée par le volume nucléaire ou dans certains mutants affectant le complexe LINC. Ce complexe LINC est proposé pour contribuer l’organisation de la chromatine et à son positionnement, de plus la mutation de ce complexe est associée une dérégulation l’inactivation de la transcription, ainsi qu’a une décompaction des séquences hétérochromatiques. La dernière partie de ce travail tire profit de séquences gnomiques disponibles et les données de RNA-seq pour explorer l’évolution des protines de la NE chez les plantes. Au Final, le travail réalisé durant cette thèse associe la génétique, la biologie moléculaire, la bioinformatique et de l’imagerie afin de mieux comprendre la contribution de l’enveloppe nucléaire dans l’organisation de la morphologie du noyaux et de la chromatine et suggère l’implication fonctionnelle du complexe LINC dans ces processus. / The linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex is an evolutionarily well-conserved protein bridge connecting the cytoplasmic and nuclear compartments across the nuclear membrane. While recent data supports its function in nuclear morphology and meiosis, its implication for chromatin organisation has been less studied in plants. The first aim of this work was to develop NucleusJ a simple and user-friendly ImageJ plugin dedicated to the characterisation of nuclear morphology and chromatin organisation in 3D. NucleusJ quantifies 15 parameters including shape and size of nuclei as well as intra-nuclear objects and their position within the nucleus. A step-by-step documentation is available for self-training, together with data sets of nuclei with different nuclear organisation. Several improvements are ongoing to release a new version of this plugin. In a second part of this work, 3D imaging methods have been used to investigate nuclear morphology and chromatin organisation in interphase nuclei of the plant model Arabidopsis thaliana in which heterochromatin domains cluster in conspicuous chromatin regions called chromocentres. Chromocentres form a repressive chromatin environment contributing to the transcriptional silencing of repeated sequences a general mechanism needed for genome stability. Quantitative measurements of 3D position of chromocentres in the nucleus indicate that most chromocentres are situated in close proximity to the periphery of the nucleus but that this distance can be altered according to nuclear volume or in specific mutants affecting the LINC complex. Finally, the LINC complex is proposed to contribute at the proper chromatin organisation and positioning since its alteration is associated with the release of transcriptional silencing as well as decompaction of heterochromatic sequences. The last part of this work takes advantage of available genomic sequences and RNA-seq data to explore the evolution of NE proteins in plants and propose a minimal requirement to built the simplest functional nuclear envelope. Altogether, work achieved in this thesis associate genetics, molecular biology, bioinformatics and imaging to better understand the contribution of the nuclear envelope in nuclear morphology and chromatin organisation and suggests the functional implication of the LINC complex in these processes.