La recombinaison méiotique via les Crossing-Overs (COs) est le principal mécanisme permettant le brassage de la diversité génétique. Cependant, le nombre et la position des COs entre paires de chromosomes homologues sont strictement régulés, limitant la séparation des loci en sélection variétale. Dans le cas du colza B. napus, l’utilisation d’allotriploïdes (AAC, 2n=3x=29), issus du croisement entre le colza (AACC, 2n=4x=38) et l’un de ses progéniteurs B. rapa (AA, 2n=2x=20), permet d’augmenter considérablement le nombre de COs entre chromosomes homologues A. L’objectif de cette étude était de déterminer les conséquences d’une telle variation sur la distribution des COs le long des chromosomes ainsi que d’identifier des facteurs régulant ce phénomène. Suite à la production et à la caractérisation cytogénétiques d’hybrides F1 présentant différents caryotypes, la recombinaison homologue a été évaluée par des analyses génétiques via des marqueurs SNPs physiquement ancrés sur l’ensemble duNous avons montré que l’addition du génome C chez les allotriploïdes conduit toujours à (1) la formation de COs surnuméraires, dont le nombre varie fonction des méioses mâle/femelle et du fond génétique, (2) une modification des profils de recombinaison, notamment au voisinage des centromères, et (3) une réduction de l’intensité d’interférence. De plus, nous avons révélé que le contrôle génétique de ces variations est imputé à des chromosomes C spécifiques et aurait divergé dans un contexte polyploïde. Nous avons donc identifié un levier permettant d’optimiser le brassage de la diversité gén / Meiotic recombination via crossovers (COs) is the main mechanism responsible for mixing genetic diversity. However, the number and position of COs between the pairs of homologous chromosomes are strictly regulated, limiting the loci separation in plant breeding. In the case of the rapeseed B. napus, the use of allotriploids (AAC, 2n=3x=29), resulting from the cross between rapeseed (AACC, 2n=4x=38) and one of its progenitors B. rapa (AA, 2n=2x=20), allows a substantial increase of the number of COs between homologous A chromosomes. The objective of this study was to determine the consequences of such a variation on the distribution of COs along the chromosomes and to identify factors regulating this phenomenon. Following the production and cytogenetic characterization of F1 hybrids with different karyotypes, homologous recombination was assessed by genetic analyzes via SNPs markers physically anchored on the whole A genome.We showed that the additional C genome in allotriploids always leads to (1) the formation of extra COs, for which the number depends on the male/female meiosis and the genetic background, (2) the modification of the recombination landscapes, especially in the vicinity of centromeres, and (3) the decrease of CO interference. In addition, we revealed that the genetic control of these variations is assigned to specific C chromosomes and could have evolved in a polyploid context. We have therefore identified a way to optimize the shuffling of genetic diversity in rapeseed breeding.

Les organismes vivants doivent reproduire et transmettre ne variatur l’information contenue dans les chromosomes. Ainsi, la conservation de l’intégrité du génome est un processus biologique fondamental. La maintenance génomique constitue l’ensemble des processus biologiques impliqués dans la conservation, la duplication et la transmission de l’information génétique contenue dans les chromosomes. La machinerie réplicative des Archaea est décrite comme une version simplifiés de celle connue chez les Eucaryotes faisant des Archaea un excellent modèle d’étude de la réplication. Contrairement à la réplication, les processus Archaea de réparation de l’ADN sont encore mystérieux. En effet, plusieurs protéines essentielles de la réparation semblent absentes des génomes Archaea et ce même chez les espèces Hyperthermophiles (HA). Avec une température optimale de croissance proche de 100°C, ces Archaea doivent posséder des capacités considérables de réparation des dommages de l’ADN, catalysés à haute température. Ainsi les Archaea hyperthermophiles sont probablement dotées d’un système de réparation alternatif extrêmement efficace. Ce système et sa coordination avec la réplication sont inconnus. Un protocole de purification d’affinité couplée à la spectrométrie de masse des protéines a permis d’identifier les complexes protéiques impliqués dans la maintenance génomique de l’Archaea hyperthermophile P. abyssi. Les complexes identifiés sont compilées dans un réseau d’interaction. Soumis à une étude topologique le réseau révèle notamment de nouvelles interactions entre des protéines essentielles de la maintenance génomique, conservées avec les Eucaryotes. Plusieurs interactions sont vérifiées indépendamment où caractérisées fonctionnellement in vitro ou in vivo. Ces travaux mettent en lumière l’étroite collaboration entre la réplication et la recombinaison de l’ADN et révèlent de nouveaux aspects de la machinerie de transcription. / DNA replication, recombination and repair are central and essential mechanisms in all cells. Highly efficienthigh-fidelity chromosome replication is vital for maintaining the integrity of the genetic information and for theavoidance of genetic disease. Archaeal replisome is described as simplified version of the eukaryotic system.However, DNA repair is still enigmatic, as many essential repair proteins have not been identified in Archaealgenomes. The question of DNA repair is even more puzzling while many Archaea lives under extremetemperature that promotes DNA instability and catalyses nucleobase damages. Thus, HyperthermophilicArchaea (HA) must have solved a molecular problem (spontaneous loss of native DNA structure) at amagnitude that mesophilic organisms do not face. A highly adapted DNA maintenance system must operate inorder to maintain DNA integrity. Those mechanisms and their possible coordination with DNA replication arestill unknown. Here, I report the first protein-protein interaction network of genomic maintenance in HA. Using AP-MSapproach we identified new protein complexes potentially implicated in DNA replication, recombination andrepair of HA P. abyssi. Topological analysis of the network highlighted both known and unknown partners ofessential and conserved protein of genomic maintenance. From the network emerges multifunctional clustersintegrating both replication and recombination proteins and revealing new aspects of the transcriptionmachinery. I also provide experimental confirmation of some of the interactions we detected.I propose that the interactions we observe reflects the interplay between recombination and replicationmachineries that likely interfaces with regulatory elements involved in the control of the DNA damageresponse, as shown by the identification of a new factors, presumably involved in the coupling of DNArecombination and DNA synthesis at the replication fork.

Les Wolbachia sont des α-Protéobactéries endocellulaires transmises maternellement et qui manipulent la reproduction des Arthropodes pour augmenter leur transmission. Chez le moustique Culex pipiens, Wolbachia induit l'incompatibilité cytoplasmique (IC) qui se traduit par une forte mortalité embryonnaire lors de croisements entre individus infectés par des souches incompatibles de Wolbachia. Ce moustique se caractérise par une forte diversité génétique de ses Wolbachia (nommées wPip) et par des patrons d'IC complexes. Nous avons examiné les mécanismes qui façonnent la dynamique de cette association symbiotique aux niveaux génomique, phénotypique et populationnel. Nous avons montré que les souches wPip ont une origine génétique commune récente et qu'elles s'organisent en groupes génétiques présentant une structuration géographique. Nous avons mis en évidence des évènements de recombinaison entre souches wPip qui pourraient jouer un rôle majeur dans la diversité génétique des Wolbachia et dans l'évolution rapide des patrons d'IC. En croisant des lignées de moustiques d'origines géographiques diverses et infectées par des souches de différents groupes génétiques, nous avons montré que les IC (i) évoluent très rapidement chez Cx. pipiens; (ii) sont contrôlées par plusieurs déterminants génétiques, et (iii) qu'il y a une relation entre les patrons d'IC et les groupes génétiques des Wolbachia. Dans les populations naturelles, il apparaît que les IC sont contre sélectionnées au sein d'une population mais qu'une zone de contact entre populations infectées par des souches incompatibles peut se maintenir de façon stable. / Wolbachia are maternally inherited endocellular α-Proteobacteria that manipulate the reproduction of Arthropods to promote their own transmission. In the mosquito Culex pipiens, Wolbachia induce cytoplasmic incompatibility (CI) which results in high embryonic mortality in crosses between mosquitoes infected with incompatible Wolbachia strains. This mosquito is characterized by high genetic diversity of its Wolbachia (referred as wPip strains) and by complex CI patterns. We examined mechanisms that shape the dynamics of this symbiotic association at genomic, phenotypic and field population levels to understand how it evolves. We showed that wPip strains have a unique and recent evolutionary origin and that their diversity clusters into distinct genetic groups with a geographic structure. We revealed the existence of extensive recombinations among wPip strains, which could influence their adaptive dynamics by creating new wPip strains and thus allow the rapid emergence of new CI patterns. The analysis of crossing relationships between mosquito lines from different geographic origins and infected with wPip strains belonging to different genetic groups showed that CIs (i) evolve rapidly in Cx. pipiens; (ii) are controlled by several genetic factors, and (iii) there is a significant relationship between CI patterns and genetic divergence of wPip strains. In field populations, it appears that CIs are selected against within a population but a contact zone between populations infected by incompatible Wolbachia strains can be stably maintained.

Les télomères sont des séquences d’ADN, généralement répétées en tandem, localisées à l’extrémité des chromosomes linéaires. Une des fonctions principales des télomères est de différencier l’extrémité des chromosomes des cassures double-brin, et ainsi de prévenir l’activation des voies de réparation de l’ADN. Chez les mammifères, cette fonction est plus spécifiquement assurée par le complexe shelterin. Il s’agit d’un complexe hétérogène composé de six protéines distinctes : TRF1, TRF2, POT1, RAP1, TPP1 et TIN2, qui interagit spécifiquement avec l’ADN télomérique. Au sein de ce complexe, les protéines RAP1 et TRF2 coopèrent afin d’empêcher l’extrémité des chromosomes d’être perçue comme un dommage de l’ADN, ce qui autrement aboutirait à des fusions inter-chromosomiques suite au processus de réparation. La protéine TRF2 se lie directement à la molécule d’ADN dans laquelle elle s’enroule de façon spécifique. Cette propriété est primordiale pour générer une structure d’ADN en forme de boucle, appelée t-loop, et dont le bon fonctionnement des télomères dépend. Les travaux effectués au cours de cette thèse ont mis en évidence deux scenarii indépendants dans lesquels la protéine RAP1 assure un rôle critique dans la stabilité des télomères. Premièrement, RAP1 peut prévenir les fusions inter-chromosomiques dans des cellules exprimant une forme altérée de TRF2 incapable de former des t-loops. Deuxièmement, l’inhibition de RAP1 dans des cellules en sénescence réplicative conduit à l’activation des voies de réparation de l’ADN et à la formation de fusions inter-chromosomiques. Ces observations font écho à des résultats précédents obtenus dans des cellules HeLa traitées avec l’inhibiteur de la télomérase BIBR1532, et dont l’expression de la protéine RAP1 était abolie par shRNA. De plus, j’ai montré que les fusions interchromosomiques engendrées par la perte de RAP1 sont dépendantes de la ligase IV, qui est un acteur principal de la voie de réparation de l’ADN par recombinaison non-homologue (NHEJ). Dans l’ensemble, ces travaux démontrent l’importance de la protéine RAP1 dans la stabilité des télomères lorsque la protéine TRF2 est non fonctionnelle, mais aussi dans des situations physiologiques telles que la sénescence réplicative. / In mammals, the shelterin complex is the guardian of telomere stability. It operates through a set of six proteins (TRF1, TRF2, POT1, RAP1, TPP1 and TIN2) that binds telomeric DNA and protects it from being recognized as DNA double-strand breaks and therefore control DNA repair and DNA damage response pathways. Among them, RAP1 and TRF2 cooperate and together protect chromosome extremities from end-to-end fusions. TRF2 is seen as a major factor to control telomere DNA topology by wrapping DNA around itself in a right handed manner. This property of TRF2 is required to promote the formation of t-loops, special DNA structures at telomeres that are considered as protective barriers to DNA damage response and fusion. Here we demonstrate two independent situations where RAP1 dysfunction is critical for telomere protection. First, in cells expressing a wrapping-deficient TRF2 allele that cannot form t-loops, RAP1 appears as a backup anti-fusion mechanism. Second, RAP1 downregulation in replicative senescent cells leads to telomere fusions and DNA damage response activation. This is consistent with similar observations in HeLa cells treated with the telomerase inhibitor BIBR1532, and in which RAP1 expression was abolished by an inducible shRNA system. In addition, we show that fusions triggered by RAP1 loss are dependent upon ligase IV, which is a key player of the classical non-homologous end-joining (c-NHEJ) repair pathway. Altogether, these results indicate that RAP1 takes over telomere protection when TRF2 cannot properly function or in the normal physiological situation, such as replicative senescence.

Le système immunitaire de chaque individu doit faire face à des agressions répétées d'un environnement en constante évolution, constituant ainsi un nombre de menaces virtuellement infini. Afin de mener ce rôle à bien, le système immunitaire adaptatif s'appuie sur une énorme diversité de lymphocytes T et B. Chacune de ces cellules exhibe à sa surface un récepteur unique, créé aléatoirement via le processus de recombinaison V(D)J, et spécifique à un petit nombre de pathogènes seulement. La diversité initiale générée lors de ce processus de recombinaison est ensuite réduite par une étape de sélection fonctionnelle basée sur les propriétés de repliement du récepteur ainsi que ses capacités à interagir avec des protéines du soi. Pour les cellules B, cette diversité peut être à nouveau étendue après rencontre d'un pathogène lors du processus de maturation d'affinité durant lequel le récepteur subit des cycles successifs d'hypermutation et sélection. Ces travaux présentent des approches probabilistes visant à inférer les distributions de probabilités sous-tendant les processus de recombinaison et d'hypermutation à partir de données de séquençage haut débit. Ces approches ont donné naissance à IGoR, un logiciel polyvalent dont les performances dépassent celles des outils existants. En utilisant les modèles obtenus comme base, je présenterai comment ces derniers peuvent être utilisés afin d'étudier le vieillissement et évolution du répertoire immunitaire, la présence d'emprunte parentale lors de la recombinaison V(D)J ou encore pour démontrer que les jumeaux échangent des lymphocytes au cours de la vie fœtale. / An individual’s adaptive immune system needs to face repeated challenges of a constantly evolving environment with a virtually infinite number of threats. To achieve this task, the adaptive immune system relies on large diversity of B-cells and T-cells, each carrying a unique receptor specific to a small number of pathogens. These receptors are initially randomly built through the process of V(D)J recombination. This initial generated diversity is then narrowed down by a step of functional selection based on the receptors' folding properties and their ability to recognize self antigens. Upon recognition of a pathogen the B-cell will divide and its offsprings will undergo several rounds of successive somatic hypermutations and selection in an evolutionary process called affinity maturation. This work presents principled probabilistic approaches to infer the probability distribution underlying the recombination and somatic hypermutation processes from high throughput sequencing data using IGoR - a flexible software developed throughout the course of this PhD. IGoR has been developed as a versatile research tool and can encode a variety of models of different biological complexity to allow researchers in the field to characterize evermore precisely immune receptor repertoires. To motivate this data-driven approach we demonstrate that IGoR outperforms existing tools in accuracy and estimate the sample sizes needed for reliable repertoire characterization. Finally, using obtained model predictions, we show potential applications of these methods by demonstrating that homozygous twins share T-cells through cord blood, that the public core of the T cell repertoire is formed in the pre-natal period and finally estimate naive T cell clone lifetimes in human.

Des stress réplicatifs sont rencontrés à chaque phase S du cycle cellulaire et différents mécanismes permettent leur prise en charge. La recombinaison homologue (RH) tient un rôle important dans le maintien de la stabilité du génome au cours de la réplication. En effet, la RH escorte la progression des fourches et prévient les défauts mitotiques. Toutefois, le lien moléculaire entre le stress réplicatif et les défauts mitotiques n’est pas élucidé. De façon générale, les fourches de réplication bloquées peuvent être sauvées grâce à leur fusion avec la fourche convergente ou au redémarrage de fourche par la RH. Le laboratoire a développé un essai génétique reposant sur l’utilisation d’une barrière de réplication conditionnelle afin d’étudier le mécanisme par lequel la RH contribue au sauvetage des fourches de réplication bloquées. L’équipe a montré que le redémarrage des fourches bloquées par la RH est conditionné par l’exposition d’un ADNsb et non d’une cassure double-brin. Ainsi, les fonctions de la RH au cours de la gestion du stress réplicatif peuvent être adressées indépendamment de sa fonction de réparation des cassures (fonction relativement bien documentée). Les travaux décrits dans ce manuscrit s’inscrivent autour des mécanismes que la RH engage afin d’assurer la stabilité génétique en réponse au stress réplicatif. Plus précisément, je me suis intéressée à l’implication des facteurs de la RH dans la protection des fourches de réplication bloquées au niveau moléculaire et cellulaire. En absence de la recombinase Rad51 ou de son chargeur Rad52, le blocage d’une seule fourche de réplication est suffisant pour induire des défauts mitotiques, incluant des ponts anaphasiques (lien physique entre chromatides sœurs). Il s’avère que les fourches bloquées sont extensivement dégradées par la nucléase Exo1 en absence de Rad51/Rad52. De manière intéressante, l’accumulation excessive d’ADNsb à la fourche est à l’origine de la non-disjonction des chromatides sœurs en mitose et ce malgré l’arrivée de fourches convergente. Ainsi, les fourches de réplication non protégées sont le siège de terminaison pathologique mettant à mal la ségrégation des chromosomes. La RH étant impliquée dans la protection et le redémarrage des fourches de réplication, l’utilisation du mutant de séparation de fonction Rad51-3A a permis de montrer que ces deux fonctions sont génétiquement séparables. Les fourches de réplication protégées et incapables d’être redémarrées par la RH ne présentent pas de symptômes de terminaison pathologique. Ainsi, au-delà de sa capacité à redémarrer les fourches inactivées, les facteurs de la RH assurent la complétion de de la réplication en maintenant les fourches de réplication dans une conformation propice à une fusion avec la fourche convergente. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires invoqués par la RH afin de maintenir la stabilité génétique au cours du stress réplicatif. / At each cell cycle, cells undertaking the DNA replication process face several sources of replication stress (RS) compromising the progression of the replicating forks and threatening both chromosome duplication fidelity and their correct segregation during mitosis. Replication stresses emerged as a major source of genetic instability and cancer development. Several mechanisms, among which homologous recombination (HR), operate to buffer the deleterious effects of RS. HR acts as an escort to fork progression and prevents mitotic defects. Nonetheless, the molecular connection between replication stress and mitotic defects remains elusive. A conditional replication fork barrier (RFB) acting in a polar manner was developed in the lab to terminally-arrest fork progression. In this system, HR functions handling replication stress can be assessed independently of its well-known function in double strand break repair. The work described here aims to understanding the mechanism that HR performs to ensure genetic stability in response to replication stress. In general, blocked replication forks can be rescued either by fork convergence or by active HR-mediated fork restart. However, in absence of Rad51 recombinase or it loader Rad52, a single activated RFB is sufficient to induce mitotic abnormalities including anaphase bridges. The involvement of HR factors in fork protection was explored at the molecular and cellular levels. It turns out that terminally-arrested forks are extensively resected by the Exo1 nuclease in the absence of Rad51/Rad52. Interestingly, the excess of ssDNA accumulation at the fork triggers sister chromatid non-disjunction in mitosis despite the arrival of an uncorrupted converging fork to rescue replication. Thus, unprotected replication forks are prone to pathological termination threatening chromosome segregation. HR being involved in fork protection and restart, the use of a Rad51 mutant showed that these two functions are genetically separable. Indeed, protected forks unable to restart by HR do not show any pathological termination. Thus, beyond their ability to restart inactivated forks, HR factors ensure replication completion by maintaining the forks in a suitable conformation for a fusion with the converging fork. Overall, these results shed light on the molecular events engaged by RH to ensure genome stability in response to replication stress.

L’agriculture moderne doit assurer notre sécurité alimentaire dans le contexte d’un changement climatique qui entraîne une baisse des rendements. Une meilleure compréhension des facteurs contrôlant la recombinaison méiotique ouvrirait la voie à la modification du nombre et de la répartition des crossing-overs, ce qui permettrait une localisation plus précise des facteurs génétiques contrôlant les caractères d’intérêt agronomique et faciliterait le pyramidage d’allèles favorables au sein d’un même génotype élite. Pendant ma thèse, j’ai développé une méthode de mesure à haut débit de la recombinaison chez la levure Saccharomyces cerevisiae pour étudier la diversité de la recombinaison et de l’interférence au sein d’une collection de 24 souches représentatives de la diversité de l’espèce ainsi qu’au sein d’un dispositif di-allèle à cinq parents. Les résultats montrent un nombre moyen de crossing-overs par méiose compris entre 24 et 61, ce qui est plus élevé que chez la majorité des autres espèces. Plus particulièrement, les profils de recombinaison diffèrent entre souches, atteignant un écart d’un facteur 9 dans certaines régions. Les souches originaires d’habitats peu stables n’ont cependant pas un niveau de recombinaison plus élevé que les souches originaires d’environnements stables. En outre, la plupart des souches montrent de l’interférence dont la force est corrélée positivement avec le niveau de recombinaison. L’étude de la relation entre niveau de recombinaison et similarité de séquence entre homologues, à différentes échelles locales ou globales, indique que la recombinaison est contrôlée à la fois par des éléments cis et des facteurs trans. Par ailleurs, l’hétérozygotie chez les hybrides a un effet négatif sur le niveau de recombinaison, mais les homozygotes ont aussi un niveau de recombinaison réduit par un effet de dépression de consanguinité. Ce travail permettra maintenant d’étudier la réponse de la recombinaison à la sélection et de détecter les QTL de nombre de crossing-overs, afin d’identifier des gènes qui contrôlent la recombinaison. / Modern agriculture must ensure food security in a context of climate change that will lower yields. A better understanding of the factors controlling meiotic recombination could pave the way to modifying the number and distribution of crossing-over, which would allow a more precise localization of genetic factors controlling agronomic traits, and facilitate gene pyramiding in selection programs. During my thesis, I developed a method for high-throughput measurement of recombination rates in the yeast Saccharomyces cerevisiae. This allowed me to study the diversity of recombination and interference in a collection of 24 strains representing most of the diversity of the species, as well as within a five-parent di-allele design. The results show an average number of crossovers per meiosis ranging between 24 and 61, higher than in the majority of other species. Furthermore, recombination patterns differ between strains, and ratios of local recombination rates show 9-fold differences in some regions. Strains from unstable habitats, however, do not have a higher level of recombination than those from stable environments. In addition, most strains show interference whose strength is positively correlated with the level of recombination. The study of the relationship between recombination rate and sequence similarity between homologs at different scales (from local to global) indicates that recombination is controlled by both cis elements and trans factors. Lastly, heterozygosity in hybrids has a negative effect on crossing-over, but homozygotes also have a reduced level of recombination due to inbreeding depression. This work will now be used to study the response of recombination to selection and to detect QTL of crossover number in order to identify genes controlling recombination.

La Recombinaison Homologue (RH) est une des voies majeures, hautement fidèle, de réparation des cassures double brin de l’ADN et du redémarrage des fourches de réplication arrêtées ou bloquées. La RH utilise une séquence homologue pour réparer avec précision l'ADN. Elle est essentielle pour le maintien de la stabilité des génomes dans tous les organismes et également pour assurer la transmission et l'échange de l'information génétique pendant la méiose. L'étude mécanistique de la RH est importante pour comprendre l'instabilité génétique, la perte d'hétérozygotie, les aberrations chromosomiques, la mort cellulaire et la cancérogenèse associée à une RH déficiente. Les étapes clés de la RH et les protéines impliquées sont très conservées dans toutes les espèces. Chez Saccharomyces cerevisiae, la recombinase Rad51 forme un filament présynaptique avec l’ADNsb qui est capable de rechercher les homologies de séquences dans tout le génome, en partenariat avec d'autres partenaires protéiques. Une fois l'homologie identifiée, une structure de D-loop (pour Displacement loop) est formée pour favoriser l'échange de brins. Le moteur moléculaire Rad54 assiste Rad51 dans la formation de la D-loop. Son rôle dans la recherche d'homologie et la formation des complexes synaptiques, avant mêle la formation de la D-loop reste un sujet de débat. Cette thèse porte sur mes travaux d’étude in vitro des mécanismes de formation de la D-Loop, en utilisant des protéines de la RH purifiées Rad51 et Rad54 avec d'autres partenaires protéiques et des substrats d'ADN synthétisés, mimant les structures de la RH. J'ai utilisé la microscopie électronique (ME) pour visualiser directement l'ADN et les complexes ADN-protéines intervenant au cours de la formation de D-loop in vitro avec Rad51, Rad54 et un mutant de Rad54. Ces approches d’imagerie, combinées à la biochimie suggèrent que Rad54 est crucial pour la recherche d'homologie et la formation du complexe synaptique, avant la formation de la D-loop, dans une coopération étroite avec Rad51. J'ai également montré que les paralogues de Rad51, Rad55-Rad57, stimulent la formation de la D-loop et que cet hétérodimère présente une activité ATPase dix fois plus forte que Rad51. Par ailleurs, j'ai également développé d'autres outils méthodologiques en ME et en microscopie à force atomique à haute vitesse (HS-AFM) pour mieux caractériser différents intermédiaires de la RH. / Homologous recombination (HR) is a major high-fidelity DNA repair pathway of double-stranded breaks and recovery of stalled and collapsed replication forks. HR uses a homologous template to accurately repair DNA that is essential for maintaining genomic stability in all organisms and to ensure the transmission and exchange of the genetic information during meiosis. The importance of HR study is highlighted by genetic instability, loss of heterozygosity, chromosomal aberrations, cell death and carcinogenesis associated with a defected HR. The key recombinational stages and proteins are well conserved throughout species. In Saccharomyces cerevisiae, the Rad51 recombinase forms a presynaptic filament with ssDNA that along with other protein partners is able to search for homology within the entire genome. Once homology is identified, a Displacement-loop (D-loop) is formed to promote strand-exchange. The Rad54 molecular motor assists Rad51 in the D-loop formation, and it is still a matter of debate whether it also plays a key role in homology search and synaptic complex formation, prior to D-loop. This dissertation covers my in vitro assays using purified key HR proteins Rad51 and Rad54, other protein partners and designed DNA substrates, mimicking HR structures.I used electron microscopy (EM) to directly visualize the HR DNA and DNA-protein complexes generated by D-loop in vitro assay with Rad51, Rad54 and a Rad54 mutant, and these studies combined with biochemistry suggest Rad54 is crucial to homology search and synaptic complex formation, prior to D-loop formation, in a tight intercooperation by Rad51 and Rad54. In a multiprotein system, I also showed the Rad51 paralogs Rad55-Rad57 stimulate the D-loop formation and that this heterodimer presents a ten times stronger ATPase activity than Rad51. I also developed other EM and high speed atomic force microscopy (HS-AFM) methodological tools to characterize other HR intermediates.

La bactérie Deinococcus radiodurans se distingue par sa résistance exceptionnelle aux rayonnements γ, UV, à la dessiccation et au stress oxydant. La radiorésistance de D.radiodurans résulte de l’association de plusieurs mécanismes, dont des systèmes efficaces de réparation de l’ADN et de détoxification des ROS, la protection des protéines contre l’oxydation, une structure compacte du nucléoïde et des protéines spécifiques aux Deinococcaceae, qui sont fortement induites après l’exposition des cellules au rayonnement γ. Le gène ddrI (DNA damage response) est fortement induit après exposition des cellules au rayonnement γ et code un régulateur transcriptionnel appartenant à la sous-famille CRP (cAMP receptor protein). Comparée à la souche sauvage, la souche privée de DdrI présente des défauts de division cellulaire et/ou de ségrégation de l’ADN, et est sensible aux agents génotoxiques, au stress oxydant et au choc thermique. La prédiction in silico des cibles potentielles de DdrI suggère que cette protéine régule l’expression d’une centaine de gènes impliqués dans la réplication, la réparation de l’ADN, la transduction de signal, la réponse au stress oxydant et au choc thermique. La séquence consensus 5’TGTGA(N6)TCACA3’, extrapolée à partir des 115 séquences cibles potentielles de DdrI, est spécifiquement fixée par DdrI uniquement en présence d’AMPc. Après un choc thermique, DdrI induit directement ou indirectement l’expression de nombreux gènes codant des protéases, des protéines du métabolisme de l’ADN, des lipides, des carbohydrates ainsi qu’un inhibiteur de la traduction. PprA, une protéine spécifique aux Deinococcaceae, joue un rôle crucial dans la radiorésistance et est impliquée dans la ségrégation des chromosomes et/ou la division cellulaire après réparation de l’ADN. De manière intéressante, l’absence de RecN, une protéine de la famille SMC, supprime la sensibilité du mutant ΔpprA aux agents génotoxiques, aux inhibiteurs de l’ADN gyrase et les défauts de ségrégation observés dans le mutant ΔpprA après irradiation des cellules. Après exposition des cellules au rayonnement γ, l’absence de RecN réduit la fréquence de recombinaison entre ADN chromosomique et plasmidique, suggérant que RecN intervienne dans la réparation de l’ADN par recombinaison homologue. Nous proposons un modèle, dans lequel RecN, en favorisant la réparation de l’ADN par recombinaison homologue, nécessite la présence de PprA pour favoriser le recrutement des ADN topoisomérases et la résolution des contraintes topologiques engendrées par ce mécanisme de réparation d’ADN. / The Deinococcus radiodurans bacterium exhibits resistance to γ and UV radiation, desiccation and oxidative stress. The molecular mechanisms contributing to the radioresistance of D. radiodurans include very efficient DNA repair mechanisms and ROS detoxification systems, protein protection against oxidation, a compact nucleoid structure and a subset of Deinococcus specific genes which are strongly induced after γ radiation. The ddrI (DNA damage response) gene is highly up-regulated after exposure to γ radiation and encodes a transcription factor belonging to the CRP (cAMP receptor protein) family. Compared to wild type cells, cells devoid of DdrI display defects in cell division and/or DNA segregation and is sensitive to DNA damaging agents, oxidative stress and heat shock treatment. In silico predictions of putative DdrI targets suggest that hundreds of genes,belonging to various cellular processes (DNA replication and repair, oxidative stress and heat shock responses, regulation of transcription and signal transduction) may be regulated by DdrI. The pseudopalindromic 5’TGTGA(N6)TCACA3’ consensus sequence, extrapolated from 115 potential DdrI binding sites, is specifically bound by DdrI only in presence of cAMP. After heat shock treatment, DdrI is involved directly or indirectly, in the induction of heat shock response genes coding proteases, proteins involved in DNA, lipid, carbohydrate metabolism and a translation inhibitor. Among the Deinococcus specific proteins required for radioresistance, the PprA protein was shown to play a major role for accurate chromosome segregation and cell division after completion of DNA repair. Here, we analyzed the cellular role of the RecN protein belonging to the SMC family and, surprisingly, observed that the absence of the RecN protein suppressed the sensitivity of cells devoid of the PprA protein to γ- and UV-irradiation and to treatment with mitomycin C or DNA gyrase inhibitors. The absence of RecN also alleviated the DNA segregation defects displayed by the ΔpprA cells recovering from irradiation. After irradiation, the absence of RecN reduced recombination between chromosomal and plasmid DNA, indicating that the RecN protein is important for recombinational repair of DNA lesions. Here, we propose a model in which RecN, by favoring recombinational repair of DNA double strand breaks, requires the PprA protein to facilitate the recruitment of the DNA topoisomerases to resolve the topological constraints generated by DNA double strand break repair through homologous recombination.

Les mutations héréditaires dans le gène BRCA2 sont associées à une forte susceptibilité au développement du cancer du sein et de l’ovaire. La protéine suppresseur de tumeur BRCA2 est essentielle pour préserver l’intégrité des chromosomes après endommagement de l’ADN. BRCA2 est impliquée dans la recombinaison homologue (RH), une voie fiable de réparation des cassures de l’ADN. BRCA2 exerce aussi un rôle pendant la mitose afin d’assurer un point de contrôle et une division cellulaire correcte. Bien que le rôle de BRCA2 dans la RH soit bien établi, la littérature décrive une restauration partielle de la fonction de RH dans des cellules ne possédant pas le site de liaison à l’ADN en C-terminal (CT-DBD), ce que nous a encouragé à voir s’il existait un domaine secondaire de liaison à l'ADN. L'analyse in silico a révélé un domaine zf-PARP putatif dans la région N-terminale. Normalement, ce type de domaine s’associe à l’ADN, ce que nous a porté à l’examiner. En utilisant des fragments purifiés de la partie N-terminale comprenant le site putatif dans des analyses de changements de mobilité électrophorétique, nous avons montré une activité de liaison à l’ADN. En comparaison avec le CT-DBD canonique, le site de liaison à l’ADN en N-terminal (NT-DBD) manifeste une affinité plus forte pour divers substrats et contrairement du CT-DBD il est capable de s’associer à l’ADN à double brin. En utilisant des tests d’échange de brin, nous avons également montré que le NT-DBD peut stimuler la fonction de recombinaison de RAD51. De plus, des variantes faux-sens dans le NT-DBD trouvé chez les patients atteints de cancer du sein ont montré une activité réduite d’association à l’ADN et une stimulation diminuée de l’activité de RAD51 ce qui implique que ces amino-acides sont importants pour les deux fonctions. Ce travail révèle un nouveau sitede liaison à l’ADN, ce qui contrairement au CT-DBD est capable de s’associer à l’ADN double-bras(db) et stimuler l’activité de recombinaison de RAD51. Nous proposons que le NT-DBD positionne RAD51 à la jonction entre ADNdb et ADNsb, ce qui facilite le chargement de RAD51 sur l’ADN recouvert de RPA. Cette activité pourrait promouvoir la RH pendant la réparation des cassures de l’ADN (von Nicolai, C et al., 2016, under revision).Afin de définir la prévalence des mutations de NT-DBD pour la prédisposition au cancer, nous avons sélectionné des variants faux-sens non-classifiés (variants of unknown clinical significance), identifiés dans des familles à risque élevé de développer un cancer du sein. Nous avons effectué des tests afin d’étudier l’impact de ces variants sur la fonction de BRCA2 dans la RH et la mitose. Certains de ces variants ont conduit à une hypersensibilité aux agents endommageant l’ADN et aux inhibiteurs de PARP, caractéristique d’une RH défectueuse alors qu’un de ces variants était compétent pour la réparation. Tous les variants ont induit une duplication normale des centrosomes, mais la cytokinèse était défectueuse. Ce phénotype suggère un défaut dans la formation du midbody et de l’abscission. Cette étude aidera à classifier les VUS dans le NT-DBD et facilitera la consultation génétique pour des individus. BRCA2 est un médiateur de la RH dépendante de RAD51. Son homologue méiotique, DMC1, partage structure et fonction similaire et s’associe à BRCA2. Néanmoins, la pertinence fonctionnelle de cette interaction reste élusive. Nous avons montré que BRCA2 interagit avec DMC1 au travers des répétitions BRC et promeut la formation de molécules d'adhérence. Cet effet stimulant est dû au renforcement de la liaison de DMC1 à l’ADN. BRCA2 complet et fonctionnel était surtout capable de stimuler l’activité d’échange de brin de DMC1, ce qui confirme les résultats obtenus avec les répétitions BRC. Nos résultats identifient BRCA2 comme une protéine de médiation de la recombinaison méiotique et renforcent le rôle des répetitions BRC dans cette fonction (Martinez, von Nicolai, et al., PNAS, 2016). / Germline mutations in the BRCA2 gene lead to high susceptibility to the development of breast and ovarian cancer. The tumor suppressor protein BRCA2 is essential for preserving chromosome integrity after DNA damage emerging from endogenous or exogenous sources. BRCA2 functions in Homologous Recombination (HR), the most reliable pathway to repair DNA double strand breaks. BRCA2 exerts its tumor suppressor role also at several stages during mitosis where it ensures checkpoint control and proper cell division.Although the function of BRCA2 in HR is well established, evidence from the literature describing a partial restoration of HR function in cells lacking the C-terminal DNA binding domain (CT-DBD) brought us to test the hypothesis of a secondary DNA binding domain in BRCA2.In silico analysis of the protein revealed a putative zinc finger-PARP domain in exon 10 of the N-terminal region. This type of domain usually binds DNA which prompted us to examine this activity in vitro. Using purified N-terminal fragments comprising the putative DNA binding domain in electrophoresis mobility shift assay we demonstrated the DNA binding activity of the N-terminus of BRCA2. When compared to the canonical CT-DBD, the N-terminal DNA binding domain (NT-DBD) exhibits stronger affinity for various DNA substrates and unlike the CT-DBD, it can also associate with dsDNA. Using a DNA strand exchange assay we also showed that the NT-DBD stimulates the recombination function of RAD51. In addition, BRCA2 missense variants in the NT-DBD found in breast cancer patients showed reduced dsDNA binding and decreased stimulation of RAD51 recombination activity on dsDNA/ssDNA containing substrates, implying that these residues are important for both functions. This work revealed a novel DNA binding domain in the N-terminus of BRCA2 that, in contrast to the CT-DBD, can associate with dsDNA and promote RAD51 recombination activity. We propose that the NT-DBD positions RAD51 at the ssDNA/dsDNA junction facilitating RAD51 loading onto the RPA-coated ssDNA. This activity may promote HR in DSB repair and in daughter strand gap repair (von Nicolai, C et al., 2016 submitted).To define the relevance of NT DBD on cancer predisposition, we selected several missense variants of unknown clinical significance (VUS) found in families at high risk to develop breast cancer located in this region. We used in vitro and in vivo functional assays to study the impact of the mutations on BRCA2 function in HR and mitosis. Some of the variants exhibited hypersensitivity to DNA damaging agents and PARP inhibitors, a hallmark of defective HR while one variant was proficient in repair. All variants showed normal centrosome duplication, but exhibited delayed or failed cytokinesis. This phenotype suggests a defect of the variants in midbody formation and abscission as a consequence of impaired BRCA2 function. It remains to be established if the defects in HR and cytokinesis are related. In the future, this study will help to classify VUS in the NT-DBD and facilitate genetic counselling of individuals carrying these mutations.BRCA2 is a mediator protein in RAD51-dependent HR. Its meiotic counterpart, DMC1, shares similar structure and function and binds BRCA2. However, the functional relevance of this interaction remained elusive. In this work, we showed that through the BRC repeats, BRCA2 interacts with DMC1 and promotes joint molecule formation. This stimulatory effect is due to the enhancement of DMC1 assembly on ssDNA. Importantly, full-length BRCA2 also stimulated the DNA strand exchange activity of DMC1, confirming the results with the isolated BRC repeats. Our results identify BRCA2 as a mediator of meiotic recombination and underline the role of the BRC repeats on this function (Martinez, von Nicolai, et al., 2016, PNAS).