Les homéoprotéines sont des facteurs de transcription qui en plus de leur rôle important durant le développement des métazoaires, bénéficient de fonctions autonome et non autonome-cellulaire dans le cerveau adulte. Parmi ces homéoprotéines, Engrailed1/2 (collectivement Engrailed) est exprimée dans les neurones dopaminergiques mésencéphaliques adulte, ceux-là même qui dégénèrent dans la maladie de Parkinson. Chez les souris délétées d’une copie du gène (En1+/-), une dégénérescence progressive des neurones dopaminergiques s’accompagne de symptômes moteurs et non moteurs rappelant la maladie de Parkinson, ce qui pourrait faire de ces souris un modèle nouveau et intéressant de cette maladie neurodégénérative. Des expériences de transduction de la protéine En1 dans les cellules du mésencéphale de souris démontrent son effet neuroprotecteur dans des modèles toxicologiques de la maladie de Parkinson et chez les souris En1+/-, menant à l’hypothèse qu’Engrailed est important dans la physiopathologie de cette maladie. L’essentiel de ce travail de thèse s’inscrit dans la compréhension des mécanismes d’action de l’homéoprotéine Engrailed dans les neurones dopaminergiques mésencéphaliques. L’activité physiologique importante de ces neurones et le stress métabolique oxydant qui est généré touche plusieurs compartiments cellulaires, dont le noyau. La stabilité du génome semble être un aspect majeur de l’action d’Engrailed dans ces neurones. D’abord contre les effets délétères du stress oxydatif sur l’intégrité de l’ADN et la structure de la chromatine, ensuite, contre l’activité génotoxique des éléments transposables LINE-1. / Homeoproteins are a major class of transcription factors that exert some of their functions through non-cell autonomous activity, due to their ability to transfer between cells. Two of these homeoproteins, En1 and En2 (collectively Engrailed) are responsible for midbrain dopaminergic (mDA) neuron development, and maintenance during adulthood. En1+/- mice display a selective and progressive degeneration of the mDA neurons, reminiscent of Parkinson disease (PD). Engrailed infusion confers neurotection against cell death in several mouse models of PD, leading to the hypothesis that Engrailed could be implicated in the physiopathology of the disease. To dissect the mechanisms underlying Engrailed-mediated protection, the transcriptome of mDA neurons in En1+/- was analyzed. It was found that the loss of one En1 allele leads to severe alterations in the expression of DNA damage response and chromatin remodeling genes. The same alterations were detected and amplified in an acute mouse model of oxidative stress, suggesting that mDA neurons from En1+/- mice are less resistant to oxidative stress and, conversely, that Engrailed may protect them against oxidative stress. Indeed, Engrailed transduction into mDA neurons saves them from cell death and restores all DNA damage and epigenetic marks. A second mechanism neuroprotection by Engrailed concerns LINE-1 elements. These retrotransposons have the ability to create genomic instability through their endonuclease activity. Their direct repression by Engrailed could be part of a general protective activity against genomic instability.

La méthylation de l'ADN et les modifications post-traductionnelles des histones sont desmodifications épigénétiques qui interviennent dans la régulation des éléments transposables(ET) chez de nombreuses espèces. La proportion des ET dans les génomes varie selon lesespèces considérées et pose la question des mécanismes de régulation de ces ET. Au sein del'espèce Drosophila simulans, les populations naturelles présentent un polymorphisme uniquedans le nombre de copies des ET, ce qui en fait un excellent modèle pour étudier cettequestion. L'étude de la méthylation d'ADN et des modifications post-traductionnelles deshistones associées au rétrotransposon à LTR tirant dans la lignée germinale des populationsnaturelles a permis de montrer l'influence d'une copie d'ET sur la structure de la chromatineau site d'insertion. Dans un second volet, nous avons cherché à caractériser la méthylation del'ADN chez la drosophile, chez laquelle la fonction est encore mal connue. Nous avons, pardes approches spécifiques et globales, mesuré l'abondance de cette marque épigénétique chezla drosophile. Nous concluons que les taux de méthylation de l'ADN sont très faibles maisvariables entre espèces. Notre travail n'a pas permis de mettre en évidence un rôle de laméthylation de l'ADN dans le contrôle des ET, toutefois, nous ne pouvons pas exclure cesystème de régulation.

Au laboratoire du Dr. Bachand, l’orthologue chez la levure à fission de la protéine humaine PABPN1 qui est reliée à la dystrophie musculaire oculopharyngée a été découvert. Cette protéine se nomme Pab2. Elle a une localisation nucléaire, fait la navette entre le noyau et le cytoplasme, et les arginines de son domaine arginine riche sont asymétriquement diméthylées tout comme son orthologue humain. Bien que ces protéines aient une localisation nucléaire, aucune étude in vivo n’a été effectuée afin d’élucider leur mécanisme d’import nucléaire. Dans mon premier projet de recherche, la levure à fission a été utilisée pour caractériser le mécanisme d’import nucléaire de ces protéines liant les queues poly(A). Il a été démontré que Pab2 détient un signal de localisation nucléaire de type PY-NLS qui est suffisant et nécessaire à sa localisation nucléaire ainsi qu’à l’exécution de ses fonctions. De plus, il a été démontré que le PY-NLS de Pab2 provoque l’internalisation nucléaire de la protéine hétérologue GST-GFP-Pab2 (139-166). De concert avec un système d’import nucléaire de type PY-NLS, une délétion de la karyophérine Kap104, orthologue de la Kap?2 qui est le transporteur des cargos PY-NLS, engendre un défaut d’import nucléaire de Pab2. S’ensuit aussi par la démonstration d’une interaction physique directe entre Pab2 et Kap104. Il a été observé que la méthylation du domaine arginine riche en C-terminal, où se retrouve le PY-NLS, n’affecte pas la localisation de Pab2. Toutefois, dans un contexte où Pab2 détient un signal de localisation nucléaire sub-optimal ; la méthylation du domaine arginine riche réduit son efficacité d’import nucléaire. Finalement, une vérification in vivo de l’importance du mécanisme d’import de type PY-NLS de PABPN1 par un système d’inhibition spécifique de la Kap?2 a permis de confirmer que ce mécanisme d’import n’est pas nécessaire à sa localisation nucléaire. Suggérant la présence de systèmes d’imports nucléaires redondants ainsi que la possibilité d’une autre voie d’import nucléaire prioritaire pourPABPN1. Une analyse transcriptomique par micropuce d’ADN a permis d’identifier divers gènes surexprimés dans une cellule pab2?. Une des classes de gènes qui ont été identifiés se réfère à des éléments génétiques mobiles se dénommant Tƒ2 chez la levure à fission. La confirmation de l’accumulation d’environ deux fois des transcrits Tƒ2 dans une souche pab2? par buvardage Northern a fit naître mon deuxième projet de recherche. Plusieurs études ont démontré que Pab2 agit dans la même voie que Rrp6, une exonucléase 3’-5’, dans la maturation et la dégradation de divers transcrits de façon post-transcriptionnelle. Afin de corroborer une répression post-transcriptionnelle des Tƒ2 par Pab2; un essai génétique a été effectué en combinant sa délétion à celle d’une protéine, Abp1, connue pour réprimer de façon transcriptionnelle ces Tƒ2. Étonnamment, une diminution d’accumulation de transcrits Tƒ2 a été observée dans le double mutant comparativement au simple mutant abp1?. Une immunoprécipitation de la chromatine (ChIP) par la Pol II a permis de confirmer que ce phénotype était d’ordre transcriptionnel. Les essais de ChIP ont aussi permis de corroborer un rôle post-transcriptionnel de répression des Tƒ2 par Pab2. Il a été démontré par un autre groupe de recherche qu’il y a activation du RNAi envers les Tƒ2 qui mènent à l’établissement d’une marque d’hétérochromatine dans un mutant rrp6?. Un dépistage de transcrits antisens aux Tƒ2 a permis d’en identifier un qui accumule dans un double mutant abp1?/pab2?. Il a aussi été observé que ce transcrit antisens accumule à des étapes spécifiques de la méiose. De plus, son accumulation dans des mutants génétiques ou bien en méiose corrèle négativement avec l’accumulation de l’ARNm des Tƒ2. [symboles non conformes]

L’élément L1 (Long Interspersed Nuclear Element 1 ou L1) est le seul rétrotransposon autonome et actif connu dans notre génome, représentant 17% de celui-ci. Capable de se répliquer grâce à un intermédiaire à ARN et un mécanisme de transcription inverse initiée au site d’intégration, il encode deux protéines ORF1p et ORF2p, qui s’associent à l’ARN L1 pour former une particule ribonucléoprotéique (RNP). L’élément L1 rétrotranspose préférentiellement en cis : un L1 défectif est complémenté en trans par un élément fonctionnel de façon inefficace. Ce travail s'intéresse à deux étapes clefs du cycle réplicatif du L1 : l'assemblage de la RNP L1 en cis ou en trans afin d’explorer le mécanisme de la cis-préférence et la spécificité de l’initiation de la reverse transcription initiée. Nous avons d’abord comparé deux méthodes d’analyse de l’activité RT. Puis, nous avons montré l’importance de la complémentarité entre queue poly(A) de l’ARN L1 et site d’intégration durant l’initiation de la RT, ainsi que l’impact de mésappariements terminaux éventuels. Enfin, nous avons étudié les bases biochimiques de la cis-préférence, à travers la coexpression et la purification de deux éléments distincts étiquetés, ce qui nous a permis de suivre l'assemblage et l'activité de leurs RNPs respectives. Nos données suggèrent que ORF1p et ORF2p peuvent lier en trans l’ARN L1 de façon efficace et que la cis-préférence pourrait nécessiter des quantités limitantes de L1. / The Long Interspersed Nuclear Element 1 (LINE-1 ou L1) is the only known active and autonomous retrotransposon in the human genome and constitutes around 17% of our genomic DNA. The L1 element is able to replicate through an RNA intermediate by a mechanism called target-primed reverse transcription and encodes two proteins ORF1p and ORF2p, which associate with the L1 RNA to form a ribonucleoprotein particle (RNP). L1 preferentially retrotranspose in cis: a defective L1 can only be rescued in trans at low levels by a replication-competent copy. During this work, we focused on two essential steps of the L1 replication cycle: the assembly of the L1 RNP in cis or in trans to explore the mechanism of the cis-preference and the specificity of L1 reverse transcription priming. First, we compared two different methods to detect L1 RT activity. Then, we showed the importance of base-pairing between the poly(A) tail of the L1 RNA and the integration site to prime reverse transcription and the impact of potential mismatches. Finally, we investigated the biochemical basis of the cis-preference through the coexpression and purification of two different tagged L1 elements, which allowed us to follow the assembly and activity of their RNP. Our data suggest that binding of ORF1p and ORF2p in trans is efficient and that the cis-preference might requires limiting L1 levels.

Durant ces dernières décennies, la fertilité masculine est en constante diminution à l’échelle mondiale. Même si les facteurs environnementaux ont une part de responsabilité indéniable, il n’en reste pas moins que les altérations génétiques mais également épigénétiques semblent aussi largement impliquées. La compréhension des mécanismes épigénétiques qui régulent la fertilité masculine est récente mais essentielle pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques. Dans ce contexte, l’objectif de mes travaux de thèse s’est focalisé sur l’étude du rôle du variant d’histone H3.3 dans la spermatogenèse. H3.3 possède la capacité de remplacer l’histone canonique H3 dans la chromatine modifiant ainsi les propriétés épigénétiques de cette dernière. H3.3 est nécessaire à la spermatogenèse mais son rôle reste à élucider. Grace à plusieurs modèles murins, mes travaux de thèse ont montré que la forme H3.3B est essentielle à la reproduction masculine notamment pour la transition méiose/post-méiose. Lors de cette transition, on observe une forte régulation des piARN, des rétrotransposons et des chromosomes sexuels. Nos expériences révèlent pour la première fois que la perte de H3.3B provoque une chute de l’expression des piARN. À l’inverse, l’absence de H3.3B est aussi associée à une augmentation de l’expression de l’ensemble des gènes des chromosomes sexuels comme des rétrotransposons RLTR10B et RLTR10B2. Ces changements d’expression se traduisent par une spermatogenèse altérée et une infertilité. Par des expériences de ChIP-seq, nous avons observé que H3.3 est fortement enrichie sur les piRNA, les rétrotransposons RLTR10B et RLTR10B2 et l'ensemble des chromosomes sexuels. Toutes ces expériences ont permis de mieux caractériser la fonction régulatrice de l’histone H3.3B au cours de la spermatogenèse. En particulier, elles démontrent que H3.3B, en fonction de sa localisation sur la chromatine, intervient dans la régulation positive ou négative de l'expression de régions chromatiniennes définies. Ces résultats montrent l’importance des contrôles épigénétiques au cours de la spermatogenèse et ouvrent de nouvelles pistes dans la compréhension des causes d’infertilité masculine. / In last decades, male fertility has been steadily declining worldwide. Even if environmental factors have an undeniable responsibility, the fact remains that both genetic and epigenetic alterations also seem to be widely implicated. The understanding of the epigenetic mechanisms that regulate male fertility is recent but essential to develop a new therapeutic approaches. In this context, the objective of my thesis work focused on the study of the role of histone variant H3.3 in spermatogenesis. H3.3 has the ability to replace the H3 canonical histone in chromatin thus modifying the epigenetic properties of chromatin. H3.3 is necessary for spermatogenesis but its role remains unclear. Used to several mouse models, my thesis work has shown that the H3.3B form is essential for male reproduction and especially for the meiosis/post-meiosis transition. During this transition, there is a strong regulation of piRNAs, retrotransposons and sex chromosomes. Our experiments reveal at the first time that the loss of H3.3B resulted in down-regulation of the expression of piRNA. In contrast, the absence of H3.3B is also associated with increased expression of all sex chromosom genes as well as of both RLTR10B and RLTR10B2 retrotransposons. These expression changes result in altered spermatogenesis and infertility. By ChIP-seq experiments, we observed that H3.3 is markedly enriched on the piRNA clusters, RLTR10B and RLTR10B2 retrotransposons and the whole sexual chromosomes. All these experiments allowed bettering characterizing the regulatory function of histone H3.3B during spermatogenesis. In particular, he demonstrates that H3.3B, depending on its chromatin localization, is involved in either up-regulation or down-regulation of expression of defined chromatin regions. These results show the importance of epigenetic controls during spermatogenesis and open new tracks for understanding the causes of male infertility.

Le maintien de l'intégrité génomique est crucial pour la préservation du potentiel des cellules souches hématopoïétiques (CSH). Les lésions de l'ADN dans les CSH sont associées à une capacité réduite à reconstituer l'hématopoïèse, à altérer le potentiel de différentiation et à accroître le risque de développer des tumeurs myéloïdes. Les éléments rétrotransposables (ER), se propageant dans le génome à travers un ARN intermédiaire, ont été associés à la perte d'auto-renouvellement, au vieillissement et aux dommages à l'ADN. Cependant, leur rôle dans les CSH n'avait pas été abordé. Dans cette étude, nous avons constaté que les CSH expriment des niveaux élevés d'ARNm de plusieurs ER comprenant des rétrovirus endogènes (ERV) et des L1 (LINE-1: Long Interspersed Nuclear Elements 1). Leur expression augmente avec l'irradiation. En utilisant des souris transgéniques L1-EGFP, on a montré que la rétrotransposition de L1 se produit dans les CSH in vivo. En outre, les inhibiteurs de la transcriptase inverse Efavirenz et ddC sauve à la fois les CSH des dommages persistants à l'ADN induit par l’irradiation et de la perte de prolifération in vitro. Ceci démontre que la rétrotransposition endogène joue un rôle important dans l'instabilité génomique de CSH induite par l’irradiation et dans leur perte de fonction. Nous avons précédemment montré que la thrombopoïétine (TPO), un facteur d'auto-renouvellement critique pour le CSH, limite les lésions de l'ADN induites par l’irradiation en améliorant la réparation de l'ADN. Nous avons découvert que le traitement par TPO empêche également l'expression et la mobilisation d’ER induite par l’irradiation. Nous avons aussi constaté que l’expression et la retrotransposition de L1 augmente dans les CSH provenant de souirs Mpl-/- et L1-EGFPxMpl-/-. Cela montre que la signalisation TPO in vivo est nécessaire pour restreindre l’expression et la retrotransposition d’ER dans les CSH au niveau basal et dans des conditions de stress. L'analyse transcriptomique a révélé que la TPO induit une réponse d'expression génique antivirale d'interféron (IFN) de type I dans les CSH. En utilisant des souris déficientes en STAT1/STAT2, nous démontrons que cette réponse est dépendante à la fois de STAT1 et de STAT2 et est requise pour l'inhibition de l'expression d’ER. En conclusion, cette étude montre que les ER représentent une importante source d’instabilité génomique dans les CSH. Les CSH sont capables de monter une réponse antivirale en réponse à la TPO comme un nouveau mécanisme pour limiter les dommages à l'ADN. Bien que la sécrétion constitutive d'IFN-I se produise chez des souris saines, les IFN sont produits abondamment principalement pendant les infections. Ainsi, la réponse d'expression de gène d'IFN induite par la TPO peut représenter un signal constitutif important et CSH-dédié; permettant à ces cellules de résister aux lésions de l'ADN induites par ER, tout en préservant leur capacité d'auto-renouvellement. / Maintenance of genomic integrity is crucial for the preservation of hematopoietic stem cell (HSC) potential. DNA damage in HSCs is associated with reduced ability to reconstitute hematopoiesis, altered lineage potential and accrued risk of developing myeloid malignancies. Retrotransposable elements (RE), spreading in the genome through an RNA intermediate, have been associated with loss of self-renewal, aging and DNA damage. However, their role in HSCs has not been addressed. In this study, we found that HSCs express high mRNA levels of several REs, including evolutionary recent long interspersed element-1 (L1) and endogenous retroviruses (ERV). Their expression further increases upon total body irradiation (TBI). Using L1EGFP transgenic reporter mice, we show that productive L1 retransposition occurs in HSCs in vivo. Furthermore, the reverse transcriptase inhibitors Efavirenz and ddC rescue TBI-induced both persistent DNA damage and HSC loss of proliferation in vitro. This demonstrates that endogenous retrotransposition plays an important role in TBI-induced HSC genomic instability and their loss of function. We have previously shown that thrombopoietin (TPO), a critical HSC self-renewal factor limits TBI-induced HSC DNA damage by improving DNA repair. We found that TPO treatment also prevents TBI-induced RE expression and mobilization. In addition, L1 expression and retrotransposition are increased in Mpl-/- and L1-EGFPxMpl-/- HSCs, showing that TPO signaling in vivo is required to restrain RE in HSCs, under both steady state and stress conditions. Transcriptomic analysis revealed that TPO induces an anti-viral, interferon (IFN) type-I like, gene expression response in HSCs. Using STAT1/STAT2-deficient mice, we demonstrate that this response is dependent on both STAT1 and STAT2 and is required for TPO-mediated RE expression inhibition in HSCs. Overall, this study shows that REs represent an important HSC intrinsic source of genomic instability and uncovers the ability of HSCs to mount an anti-viral innate immune state in response to TPO as a novel mechanism to minimize DNA damage. Although constitutive IFN-I secretion occurs in healthy mice, IFNs are produced abundantly mainly during infections. Thus, TPO-induced IFN gene expression response may represent an important constitutive, and HSC-dedicated, signal allowing HSCs to resist RE-induced DNA damage while preserving their self-renewal ability.

L'abondance d'éléments génétiques mobiles dans le génome humain a un impact critique sur son évolution et son fonctionnement. Même si la plupart des éléments transposables sont inactifs en raison de l'accumulation de mutations, le rétrotransposon LINE-1 (Long Interspersed Element-1 ; ou L1) continue de se mobiliser et d'influer sur notre génome. Il a ainsi contribué à l'évolution de l'homme moderne, mais aussi à l'apparition de maladies génétiques. Les séquences du rétrotransposon L1 correspondent à 17% de la masse totale de l’ADN humain. Une copie active de L1 est capable de se mobiliser de manière autonome par un mécanisme de type «copier-coller» qui met en jeu un intermédiaire ARN et une étape de transcription inverse. Cependant, peu de choses sont connues sur les voies cellulaires impliquées dans la mobilité de L1. Notre laboratoire a découvert, par des cribles double-hybride, une interaction entre la protéine ORF2p de L1 et le récepteur α associé aux œstrogènes (ERRα), un membre de la famille des récepteurs nucléaires. Ici, nous avons confirmé et étendu cette observation à plusieurs autres membres de la superfamille des récepteurs de stéroïdes en utilisant un test de double-hybride fluorescent (F2H) en culture cellulaire. Pour mieux comprendre le rôle potentiel d’ERRα dans le cycle de rétrotransposition de L1, nous avons effectué des expériences de suppression et de surexpression qui suggèrent qu’ERRα est un régulateur positif de la rétrotransposition. Collectivement, ces données relient les voies de signalisation des stéroïdes avec la régulation post-traductionnelle de la rétrotransposition de L1, ce qui suggère un modèle par lequel ERRα et probablement autres récepteurs nucléaires peuvent recruter le RNP L1 vers des emplacements chromosomiques spécifiques. / The abundance of genetic mobile elements in our DNA has a critical impact on the evolution and function of the human genome. Even if most transposable elements are inactive due to the accumulation of mutational events, the Long INterspersed Element-1 (LINE-1 or L1) retrotransposon continues to diversify and impact our genome, being involved in the evolution of modern humans and in the appearance of genetic diseases or in tumorigenesis. L1 forms 17% of human DNA. It is autonomously active being replicated through an RNA-mediated ‘copy-and-paste’ mechanism. The L1 element encodes two proteins, ORF1p and ORF2p, which associate with the L1 mRNA to form L1 ribonucleoprotein particles, the core of the retrotransposition machinery. However, little is known about the cellular pathways involved in L1 replication. Our laboratory has discovered by yeast 2-hybrid screens an interaction between L1 ORF2p and the estrogen-related receptor α (ERRα), a member of the nuclear receptor family. Here, we confirmed and extended this observation to several other members of the steroid receptor superfamily using a fluorescent two-hybrid assay (F2H) in human cultured cells. To get further insight into the potential role of ERR in L1 replication cycle, we performed ERR siRNA-mediated knock-down and overexpression experiments, which suggest that ERR is a positive regulator of retrotransposition. Moreover, the artificial tethering and concentration of ERR to a large and repetitive genomic array inhibits retrotransposition. Collectively, these data link steroid signaling pathways with the post-translational regulation of L1 retrotransposition, suggesting a model by which ERRα, and probably several other nuclear receptors, can recruit the L1 RNP to specific chromosomal locations, acting as tethering factors.

La méthylation de l’ADN et les modifications post-traductionnelles des histones sont desmodifications épigénétiques qui interviennent dans la régulation des éléments transposables(ET) chez de nombreuses espèces. La proportion des ET dans les génomes varie selon lesespèces considérées et pose la question des mécanismes de régulation de ces ET. Au sein del’espèce Drosophila simulans, les populations naturelles présentent un polymorphisme uniquedans le nombre de copies des ET, ce qui en fait un excellent modèle pour étudier cettequestion. L’étude de la méthylation d’ADN et des modifications post-traductionnelles deshistones associées au rétrotransposon à LTR tirant dans la lignée germinale des populationsnaturelles a permis de montrer l’influence d’une copie d’ET sur la structure de la chromatineau site d’insertion. Dans un second volet, nous avons cherché à caractériser la méthylation del’ADN chez la drosophile, chez laquelle la fonction est encore mal connue. Nous avons, pardes approches spécifiques et globales, mesuré l’abondance de cette marque épigénétique chezla drosophile. Nous concluons que les taux de méthylation de l’ADN sont très faibles maisvariables entre espèces. Notre travail n’a pas permis de mettre en évidence un rôle de laméthylation de l’ADN dans le contrôle des ET, toutefois, nous ne pouvons pas exclure cesystème de régulation. / Epigenetic modifications such as DNA methylation and post-translational histonemodifications are involved in transposable elements (TE) silencing in many species. Theirrelative abundance in genomes ask the question of differences in regulation mecanismbetween species. Within the Drosophila simulans species, natural populations exibits a uniquepolymorphism in TE copy number, providing a powerfull tool for the analysis of TEregulation in population from the same specie. We analyzed DNA methylation and posttranslationalhistone modifications associated with the LTR retrotransposon tirant in thegermline of natural populations and report the influence of this element on chromatinestructure. DNA methylation is a wide-conserved epigenetic modification involved in generegulation and TE silencing but its function in drosophila remains missunderstood. Usingdifferent methods, we determined the abundance of methylated cytosines in drosophila, andshowed that methylation level are low and variable between species. Our results show lowevidence for a TE regulation system involving DNA methylation but this cannot be so farexcluded.