L'instabilité chromosomique, marque des cellules tumorales, peut trouver sa source dans un défaut d'initiation de la réplication. Ceci a été illustré chez la levure Saccharomyces cerevisiae et concorde avec l'observation de mutations de régulateurs de la transition G1/S dans un grand nombre de tumeurs. Toutefois, les mécanismes par lesquels cette instabilité survient n'ont pas encore été clairement définis. Pour résoudre cette question, nous avons utilisé le mutant de levure cdc6-1 où la formation des complexes pré-réplicatifs est graduellement affectée avec l'augmentation de la température. Nous avons mis en évidence que l'allongement de la durée de la réplication qui en suit induit des cassures de l'ADN (DSB) seulement à l'entrée en mitose. Par combinaisons de mutants, nous avons vu que la condensation des chromosomes est en partie responsable de ces DSB. Ces DSB sont signalées à la cellule via la protéine Rad9, protéine adaptatrice du checkpoint de dommages à l'ADN. De façon concordante, nous avons observé une activation de la protéine effectrice de ce checkpoint Rad53 à l'entrée en mitose. La viabilité des cellules cdc6-1 repose sur les protéines de checkpoint Chk1 et Rad53 ainsi que sur la présence de cohésines et des topoisomérases Top2 et Top3. Selon nous, la réplication prolongée par diminution du nombre d'origines n'est pas détectée par les cellules comme un stress réplicatif. Lors de l'entrée en mitose, la condensation des chromosomes transformerait les fourches de réplication en structures reconnues et clivées par les nucléases Mus81-Mms4 et Yen1, qui sont activées en mitose, dirigeant ces régions sous-répliquées vers la réparation par recombinaison. Ce sont les coupures induites en mitose, non la progression des fourches, qui activent le checkpoint. Nous proposons que la sous-réplication de segments d'ADN consécutive à un défaut de licensing des origines favorise la recombinaison non homologue et génère l'instabilité chromosomique, à l'image des sites fragiles communs qui sont le siège de remaniements récurrents lors de la cancérogenèse. / Chromosome instability (CIN), a hallmark of cancer cells, can take its roots in the G1 phase of the cell cycle, when replication origins are licensed. This has been illustrated in the yeast Saccharomyces cerevisiae and is consistent with the fact that a vast number of tumors presents mutations in G1/S transition regulators. However the mechanisms by which this instability occurs are still not well established. Using the yeast cdc6-1 mutant in which preRC formation can be decreased gradually with temperature, we show that cells replicating from fewer origins undergo massive DNA double-strand break (DSB) formation in mitosis. Blocking mitotic entry by Swe1 overexpression or Clb1-4 depletion, and inactivation of Cdc5 (Polo) both suppress DSB formation in cdc6-1 cells, demonstrating that DSBs do not stem from collapsed forks but are actively induced during mitosis. DSB formation is dependent on chromosome condensation and the Mus81-Yen1 structure-specific endonucleases. These DSBs then trigger the Rad9 DNA damage checkpoint. Accordingly, Rad53 phosphorylation is detected only after entry into mitosis. We propose that cells replicating their DNA from fewer origins enter mitosis undetected, then condense their chromosomes and cleave unreplicated regions by Mus81-Yen1 for repair by recombination. The viability of cdc6-1 cells at semi-permissive temperature relies on Chk1 and Rad53, as well as on cohesins and topoisomerases Top2 and Top3. Cleavage of under replicated DNA segments in mitosis may favor non-homologous repair pathways leading to chromosome rearrangements, as seen for common fragile sites that co-localize with recurrent breakpoints in cancer.

La dystrophie facio-scapulo-humérale (FSHD) est une maladie autosomique dominante fréquente et mystérieuse sur le plan clinique, moléculaire, et physiopathologique. Elle se caractérise par une atteinte sélective facio-scapulo-humérale débutant à l'adolescence et d'évolution descendante mais la variabilité clinique est extrême et les défauts de pénétrance existent. La FSHD1 définit le phénotype FSHD associé à la contraction du macrosatellite répété D4Z4 dans la région subtélomérique 4q35, à moins de 11 unités répétées. Plusieurs variants génomiques associés en cis et constituant des haplotypes permissifs sont requis pour le développement de la FSHD. La FSHD2 est un variant épigénétique de la FSHD1 qui n'est pas associé à la contraction de D4Z4. La physiopathologie de la FSHD fait intervenir des mécanismes épigénétiques complexes encore mal connus. Aucun gène majeur n'a fait preuve de sa responsabilité, même si le rétrogène DUX4 contenu dans D4Z4 semble contribuer à la pathogenèse. La méthode diagnostique universelle, le Southern blot sur ADN génomique, est insatisfaisante car elle pose des difficultés techniques et de nombreux problèmes d'interprétation, notamment dans les cas complexes des variants non canoniques tels les mosaïques somatiques, les translocations de D4Z4, les délétions proximales. Dans ce travail, nous avons mis au point une nouvelle approche diagnostique basée sur la technique du peignage moléculaire de l'ADN génomique. Cette technologie a pour principe d'étirer uniformément et de fixer les molécules d'ADN sur une lame, et d'hybrider des sondes fluorescentes dont la combinaison détermine un code-barre génomique spécifique de la région d'intérêt. / Facio-Scapulo-Humeral Dystrophy (FSHD) is one of the most common muscular dystrophy with selective involvement of facial and scapular fixator muscles starting in teenage and a descending progression. Inheritance is autosomal dominant, with frequent de novo cases, extreme clinical variability and incomplete penetrance. FSHD1 is defined by the FSHD phenotype associated with the contraction of the polymorphic macrosatellite repeat D4Z4 on chromosome 4q35. In FSHD patients, several genomic factors have to co-segregate including a reduced number of D4Z4 copies fewer than 11 units and genomic variations in cis all together defining permissive haplotypes. FSHD2 is an epigenetic variant, which is not associated with contraction of D4Z4. Pathogenesis of FSHD is complex and involves epigenetic mechanisms still not well known. Inappropriate expression of the retrogene DUX4 has been recently implicated in the pathogenesis of FSHD. The most common diagnostic method, based on Southern blotting of genomic DNA is unsatisfactory because of the numerous problems in interpreting the results, particularly in complex cases such as somatic mosaics, translocated D4Z4 arrays, and proximal deletions. We developed a novel diagnostic approach based on molecular combing of genomic DNA. In this technology, hundreds of single molecules of DNA are uniformly combed and fixed on a slide and subsequent hybridized with a set of fluorescent probes. The combination of specific probes determines a genomic morse code that is specific of the genomic region of interest. Molecular combing allows visualizing large regions of genomic DNA with a high resolution (1 kb) at the scale of a single molecule.

Leishmania est un parasite eucaryote divergent responsable d’un large spectre de maladies à travers le monde. Ce parasite est caractérisé par une aneuploïdie mosaïque, constitutive, c’est-à-dire qu’au sein d’une population chaque cellule comporte une combinaison unique de mono-, di- et trisomies de chacun de ses 36 chromosomes. L’aneuploïdie mosaïque est générée et maintenue chez les générations suivantes grâce à un taux élevé de répartition asymétrique des chromosomes lors de la mitose, entrainant le gain ou la perte de chromosomes entiers. Ceci implique une régulation non-conventionnelle de la réplication, suivie d’une ségrégation permissive des chromosomes.L’objectif général de cette étude était de comprendre la dynamique de la réplication de l’ADN ainsi que de cartographier les sites d’initiation de la réplication chez Leishmania, en utilisant la technique du peignage moléculaire d’une part et celle du ChIP-seq d’une autre part. Nous avons ainsi pu caractériser les différents paramètres de progression de la fourche de réplication. Un des résultats majeurs qui ressort de cette étude est que Leishmania possède les plus grandes distances inter-origines et la plus grande vitesse de réplication parmi les autres eucaryotes déjà étudiés. Nous avons également pu estimer que le génome de Leishmania possède environ 168 origines de réplication. Afin d’étudier les acteurs impliqués dans la réplication de l’ADN chez Leishmania, nous avons développé l’outil génétique CRISPR/Cas9. Pour développer cet outil, nous avons basé notre approche sur une stratégie à deux vecteurs : l’un permet l’expression du single guide (sg)RNA et l’autre celle de l’endonucléase Cas9. La validation de cet outil génétique a été réalisée par le knock-out du locus PFR2 codant une protéine flagellaire. Dans un second temps, nous avons fait évoluer le CRISPR/Cas9 vers un système inductible pour réaliser les knock-out et des étiquetages au locus endogène de protéines d’intérêt. Nous avons utilisé ce nouveau système pour étudier la fonction de deux protéines potentiellement impliquées dans le complexe de reconnaissance des origines de réplication. Malgré une fuite du système, nous avons pu réaliser le KO des gènes Orc1b et Orc1/Cdc6 et suivre la progression du cycle cellulaire. Nous avons pu constater que la perte de ces gènes conduisait à un défaut de croissance ainsi qu’à l’apparition de cellules sans noyau. L’insertion d’une étiquette au locus endogène d’Orc1b nous a parmi de confirmer la localisation que nous avions obtenue avec une construction épisomale et va permettre d’étudier plus précisément le rôle de cette protéine.En conclusion, nous avons mis en évidence des paramètres de réplication originaux et démontré, en utilisant le CRISPR/Cas9, que les protéines Orc1b et Ocr1/Cdc6 étaient impliquées dans la duplication du noyau de Leishmania, ce qui est en accord avec leur rôle putatif dans la réplication de l’ADN. / Leishmania, a protozoan parasite which causes a large range of diseases worldwide, is characterized by a constitutive 'mosaic aneuploidy', i.e. each cell in a population possesses a unique combination of mono-, di- and trisomies for each of its 36 heterologous chromosomes. Mosaic aneuploidy is generated and maintained via high rates of asymmetric chromosomal allotments during mitosis, leading to the gain or loss of whole chromosomes. This implies an unconventional regulation of the replication, followed by a permissive segregation.The main objective of this study was to unravel DNA replication dynamics and to map the replication initiation sites in Leishmania using DNA combing and ChIP-seq analyses. First, we have characterized DNA replication fork parameters. One of the major findings of this study was that Leishmania exhibits the fastest replication speed and the largest interorigin distances among the eukaryotes tested so far. We have also estimated that the Leishmania major genome possesses 168 origins of replication.To study the actors involved in DNA replication, we first had to develop novel genetic tools. The CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR associated endonuclease 9) system is a recently discovered powerful technique for genome editing. In order to adapt this system to Leishmania, we have chosen a two-plasmid strategy: one for the expression of the single guide (sg) RNA and a second for the expression of the endonuclease CAS9. The proof of concept has been based on the disruption of the paraflagellar rod-2 (PFR2) loci by the CRISPR-Cas9 system. In a second attempt, we have developed an inducible CRISPR-Cas9 system, both to obtain knock outs and to perform marker-free endogenous gene tagging. We used the system to investigate the function of Origin Recognition Complex proteins. Although the system was leaky, the genome was edited as expected. We thus deleted Orc1b and Orc1/Cdc6 and monitored the cell cycle progression of the parasite. We found that the depletion of these nuclear proteins lead to a growth defect and to the appearance of zoids (anucleated cells). The endogenous tagging of Orc1b confirmed the localization previously obtained using an episomal expression vector, and will allow further investigation on the role of this protein.In total, we have shown the presence of original replication dynamics parameters in Leishmania, and using CRISPR Cas9, we have demonstrated that Orc1b and Orc1/Cdc6 are involved in the nuclear duplication of Leishmania, in agreement with their putative in DNA replication.

Chez les eucaryotes, la réplication de l'ADN démarre au niveau de multiples origines activées suivant un programme précis, qui peut être analysé à l'échelle du génome sur des populations cellulaires. Cependant, l'étude de la variabilité intercellulaire, la détection d'évènements rares et la mesure de la vitesse des fourches de réplication nécessitent des analyses en molécule unique. Avec les techniques actuelles, l'ADN néosynthétisé est marqué avec des analogues de la thymidine et révélé par des anticorps fluorescents. Les molécules d'intérêt sont identifiées par hybridation fluorescente in situ. Ces étapes sont complexes et le débit est faible. Cette thèse développe de nouvelles méthodes de détection et d'identification des molécules d'ADN réplicatives sans anticorps et à haut débit. L'ADN est répliqué en présence d'un dUTP fluorescent, purifié puis marqué en code-barre spécifique permettant l'alignement sur le génome de référence par coupure avec une endonucléase simple brin et incorporation d'un autre dUTP fluorescent. L'ADN est ensuite coloré avec un intercalant fluorescent, le YOYO-1. Les molécules d'ADN, leurs segments néorépliqués et leurs code-barres sont observés en trois couleurs différentes par épifluorescence directe. Les segments répliqués ont une fluorescence YOYO-1 plus intense, ce qui permet de détecter les bulles de réplication sans marquage métabolique. Ces outils ont été couplés à un dispositif nanofluidique dans lequel l'ADN est conduit dans des milliers de nanocanaux et imagé automatiquement, ce qui augmente massivement le débit. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à la cartographie pangénomique de la réplication de l'ADN en molécule unique. / In eukaryotes, DNA replication starts at multiple origins that are activated following a specific program. Population methods allow genome-wide analysis of DNA replication. However, single-molecule methods are required to monitor cell-to-cell variability, detect rare events and measure individual replication fork speeds. With the existing techniques, newly-synthesized DNA is labelled with thymidine analogs and revealed with fluorescent antibodies. Fibres containing a locus of interest can be identified by fluorescent in situ hybridization. These steps are complex and the throughput is low. This work proposes novel, antibody-free tools to detect replication tracts and identify the locus of origin of all DNA molecules at much higher throughput. DNA replicated in the presence of a fluorescent dUTP was purified and specifically barcoded by using a nicking endonuclease, followed by limited nick-translation with another fluorescent dUTP. This allowed alignment to a reference genome map. DNA was then stained with the fluorescent DNA intercalator YOYO-1. Direct epifluorescence revealed the DNA molecules, their replication tracts and their barcodes in three distinct colours. Replicated segments showed a stronger YOYO-1 fluorescence, demonstrating that replication bubbles can be directly detected without metabolic labelling. Finally, these tools were coupled to a nanofluidic device: DNA was driven into 13,000 parallel nanochannels and automatically imaged, massively increasing the throughput. Altogether, these results provide a starting point for genome-wide, single-molecule mapping of DNA replication in eukaryotic organisms.

Les Penicilliums sont des champignons filamenteux appartenant au genre Ascomycota. Ces champignons ont été utilisés par l’homme pour la production de nourriture depuis des siècles. Plus récemment, ils ont aussi été utilisés dans l’industrie biotechnologique pour la production de composés chimiques d’intérêts pharmaceutiques. Certaines espèces de Penicillium sont par ailleurs des moisissures contaminants certains aliments, d’autres sont des pathogènes de plantes, y compris de certains fruits. Leur génomique est globalement peut connue. Dans cette étude, nous avons analysé les génomes de deux espèces nouvellement séquencées, Penicillium roqueforti et Penicillium camemberti. Nous reportons ici le développement d’une nouvelle méthodologie pour l’amélioration et la validation d’assemblage de génomes en utilisant une technologie permettant l’observation de molécules d’ADN unique, le Peignage Moléculaire. En utilisant cette méthode, nous avons amélioré l’assemblage de Penicillium roqueforti. Ce manuscrit décrit aussi de multiples occurrences d’un transfert horizontal d’un ilot génomique de plus de cinq cent kilobases entre plusieurs Penicillium. Ce cas de transfert horizontal indique une fréquence d’échange latéral de matériel génétique plus forte qu’attendue. Enfin nous présentons un inventaire préliminaire du potentiel génomique pour la production de métabolites secondaires dans ces importants Penicillium alimentaires. / Penicillium are filamentous fungi belonging to the Ascomycota genus. Penicillium species have been used by Man for centuries in food making processes. More recently they have also been used in the biotechnology industry for the production of compounds of pharmaceutical interest. Some Penicillium species are food spoilage agents, pathogens of plants including fruits. Aspects of their genomics are largely unknown. In this study, we analysed the genomes of two newly sequenced species, Penicillium roqueforti and Penicillium camemberti. Here we report the development of a new methodology for improving and validating genome assembly using an original single DNA molecule technology, Molecular Combing. Using this methodology we were able to produce a high quality genome assembly of Penicillium roqueforti. This work also reports the multiple and recurrent horizontal transfer of a large genomic island of over half a megabase between several Penicillium species. This horizontal transfer indicates a higher frequency of lateral genetic exchange between cheesemaking fungi than previously expected. Finally, we present an early assessment of the genomic potential for secondary metabolite production in these important food associated penicilliums.

Parmi les cancers du sein, 5 à 10% serait associé à une prédisposition génétique familiale. La prise en charge des patients prédisposés nécessite une bonne définition des risques de cancer. L’identification de l’altération moléculaire causale dans chacune de ces familles est donc un enjeu essentiel dans la prise en charge médicale. Deux gènes, BRCA1 et BRCA2, sont associés à une prédisposition majeure au cancer du sein et de l’ovaire depuis le milieu des années 1990, expliquant environ 15% des formes héréditaires. L’analyse moléculaire de ces deux gènes est désormais réalisée en routine pour la recherche de variations nucléotidiques et plus récemment de remaniements géniques ce qui a permis d’améliorer le taux de détection de mutations délétères. Cependant, pour près de 85% des familles avec une agrégation familiale ou un âge anormalement jeune de cancer du sein, aucune mutation délétère n’a pu être mise en évidence. Dans ce contexte, mon travail de thèse a eu pour objectif de tester plusieurs hypothèses permettant d’expliquer les risques de cancer du sein observés chez des familles montrant l’absence de mutation des gènes BRCA1 et BRCA2. Nous avons ainsi recherché des mécanismes d’altération rarement explorés pour les gènes BRCA1 et BRCA2, et enfin analysé d’autres gènes candidats dont le gène CDH1 et huit autres gènes impliqués dans la réparation de l’ADN. Nous avons pu mieux caractériser des remaniements sur les gènes BRCA1 et BRCA2. Enfin, nous avons pu évaluer l’impact de variants de signification inconnue et des réarrangements détectés par l’étude de leurs transcrits. Dans un premier temps, nous avons mis en place et validé de nouvelles approches techniques de détection et de caractérisation : la CGH-array dédiée, la qPCR-HRM et le peignage moléculaire. Ces techniques ont ensuite été utilisées pour étudier les remaniements géniques et leur fréquence pour onze gènes candidats à la prédisposition au cancer du sein à partir de 472 familles négatives aux mutations délétères BRCA1 et BRCA2. Parmi ces 11 gènes, nous pouvons conclure que les remaniements géniques détectés concernent principalement les gènes BRCA1 et BRCA2, et à un moindre degré le gène CHEK2. En appliquant ces techniques, nous avons pu décrire de nouveaux événements, deux larges délétions et une duplication intronique, pour les gènes CDH1 et BARD1, ouvrant de nouvelles perspectives sur l’étude des transcrits alternatifs. Nous avons en particulier pu décrire la grande diversité des réarrangements délétères en 5’ du gène BRCA1. L’enjeu est ensuite l’interprétation de ces événements. Notre étude des transcrits a permis de décrire un variant exonique d’épissage entraînant une délétion de l’exon 23 au niveau du transcrit BRCA1. Nous avons aussi validé la pathogénicité d’un réarrangement en phase de l’exon 3 de BRCA2 par une étude quantitative du transcrit et une évaluation de la coségrégation. Au final, moins de 1% de nouveaux remaniements ont été mis en évidence. Ce travail est riche d’enseignement pour les nouvelles investigations à mettre en place pour les familles prédisposées. En dehors de la technique d’identification, il est nécessaire de développer des stratégies de validation basées principalement sur la quantification des effets de ces altérations au niveau de l’ARN et des protéines. Cependant, il manque encore de nombreux chaînons pour expliquer l’héritabilité des cancers du sein. Les études sur les nouveaux gènes candidats et l’avènement des techniques de séquençage pangénome à haut débit, devraient permettre d’avoir une meilleure vision des phénomènes pathobiologiques liés à la prédisposition au cancer du sein. / Five to 10% of breast cancers are linked to a genetic predisposition. The management of patients at risk requires a good definition in the risk of cancer. The identification of causal molecular alterations in each of these families is a key issue in medical care. Two genes, BRCA1 and BRCA2, are related with the greatest susceptibility to breast cancer and ovarian cancer since the mid-1990s, accounting for about 15% of hereditary forms. Molecular analysis of these two genes is now routinely performed for the detection of nucleotide variations and more recently large rearrangements which have improved the detection rate of deleterious mutations. However, for more than 85% of families, no mutation explains familial aggregation or unusual young age of breast cancer onset. In this context, my thesis aimed at testing several hypotheses to explain the risks of breast cancer observed in families without any identified mutations in the BRCA1 and BRCA2 genes. We investigated some mechanisms of genic rearrangements rarely explored for BRCA1 and BRCA2 genes, and finally investigated other candidate genes, especially CDH1 gene and eight other genes involved in double-strand DNA repair. We have better characterized some rearrangements in the BRCA1 and BRCA2 genes. Finally, we applied RNA quantitative approaches to better assess the impact from variants of unknown significance and detected rearrangements. Initially, we developed and validated new technical approaches for detection and characterization such as dedicated CGH-array, qPCR-HRM and molecular combing. Rare large germline rearrangements and their frequency in eleven candidate genes for susceptibility to breast cancer were studied among 472 families negative by routine testing for BRCA1 and BRCA2 genes. Of these 11 genes, we conclude that genic rearrangements are found then mainly in the BRCA1 and BRCA2 genes, and to a lesser extent in the CHEK2 gene. We were able to describe two large intronic deletions and one duplication for the CDH1 and BARD1 genes, opening new perspectives on the regulation of their alternative transcript. In particular, we described the wide diversity of new rearrangements involving the 5' region of the BRCA1 gene. Then, it is necessary to validate and interpret those new events. Our transcript analysis described a new exonic variant causing the splice deletion of exon 23 in BRCA1 gene. We have developed tools to validate an in-frame large rearrangement of BRCA2 exon 3 with some transcript quantitative approaches and disease cosegregation.Finally, less than 1% of new rearrangements have been identified. This work is instructive for further investigations to establish molecular etiology in those families with breast cancer predisposition. Not only by applying new technologies, it is necessary to develop other strategies based primarily on quantifying effects of these alterations on transcription and traduction. However, it still lacks many links to explain the heritability of breast cancer. The combination of new candidate genes studies and the advent of high-throughput sequencing are expected to give a better vision of pathobiological phenomena related to the breast cancer predisposition.