Dans les génomes bactériens, les fréquents transferts horizontaux de gènes (HGT) introduisent des innovations génomiques qui peuvent entraîner la diversification des populations bactériennes. À l'inverse, la recombinaison homologue (RH) au sein des populations homogénéise leurs génotypes, et ainsi renforce leur cohésion. Ces processus d'échange génétique, et la fréquence à laquelle ils interviennent au sein et entre les populations, doivent avoir un grand impact sur la cladogénèse bactérienne. Au-delà de la configuration des échanges qui se sont réellement produits entre les bactéries, les traces de RH et de HGT que nous observons dans leurs génomes reflètent les événements qui ont été fixés tout au long de leur histoire. Ce processus de fixation peut être biaisé en ce qui concerne la nature des gènes ou allèles qui ont été introduits. La sélection naturelle peut notamment conduire à la fixation des gènes transférés qui apportent de nouvelles adaptations écologiques. En outre, des biais mécaniques dans le processus de recombinaison lui-même peuvent conduire à la fixation d'allèles non-adaptatifs. Nous avons cherché à caractériser certains de ces processus adaptatifs et non-adaptatifs qui façonnent les génomes bactériens. À cette fin, plusieurs aspects de l'évolution des génomes, comme les variations de leurs répertoires de gènes, de leur architecture et de leur composition en nucléotides ont été examinés à la lumière de leur histoire de transfert et de recombinaison / In bacterial genomes, the frequent horizontal gene transfers (HGT) introduce genomic novelties that can promote the diversification of bacterial populations. In opposition, homologous recombination (HR) within populations homogenizes their genotypes, enforcing their cohesion. These processes of genetic exchange, and their patterns of occurrence among and within lineages, must have a great impact on bacterial cladogenesis. Beyond the pattern of exchanges actually occurring between bacteria, the traces of HR and HGT we observe in their genomes reflect what events were fixed throughout their history. This fixation process can be biased regarding the nature of genes or alleles that were introduced. Notably, natural selection can drive the fixation of transferred genes that bring new ecological adaptations. In addition, some mechanical biases in the recombination process itself may lead to the fixation of non-adaptive alleles. We aimed to characterize such adaptive and non-adaptive processes that are shaping bacterial genomes. To this end, several aspects of genome evolution, such as variations of their gene repertoires, of their architecture and of their nucleotide composition were examined in the light of their history of transfer and recombination

Grâce au développement des technologies de métagénomique au cours des dix dernières années, il a été constaté que les micro-organismes représentent la plus grande ressource de diversité métabolique et génétique sur Terre. En effet, un gramme de sol contient 109 cellules bactériennes et 103-104 différentes espèces bactériennes. Certaines sont en mesure de réaliser des réactions enzymatiques conduisant à la dégradation complète de certains polluants toxiques pour l’environnement comme les composés organiques tels que la quinoléine. Cependant, l'immense réservoir de molécules et enzymes microbiennes n'a pas encore été exploité, car plus de 99% d'entre elles ne sont, pour l’instant, pas cultivables in vitro. Mon travail s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’Université SJTU (Shanghai Jiao Tong Université en Chine) et le groupe de G. M.E (Génomique Microbienne Environmentale) du laboratoire Ampère à l’Ecole Centrale de Lyon. Nos partenaires à l’Université SJTU ont construit un réacteur de dénitrification à l'échelle du laboratoire capable de dégrader la quinoléine en retirant la demande chimique en oxygène. Un nouvel outil appelé "Genefish" a été developpé dans notre laboratoire comme une méthode alternative de la métagénomique pour aider à la découverte de nouveaux gènes d’intérêt industriel ou environnemental. A la suite des premiers travaux réalisés dans notre laboratoire, ma thèse présentée ici comporte deux parties.Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié le potentiel de dégradation de la quinoléine présente dans les bactéries d’un sol de référence largement étudié au laboratoire. Pour cela nous avons mis en place des expériences de microcosme qui visent à révéler la diversité potentielle des bactéries responsables de la dégradation de la quinoléine. Des analyses comparatives des profils RISA (Ribosomal Intergenic Spacer analysis) nous ont permis de mettre en évidence des changements dans la structure de la communauté des bactéries du sol incubé en conditions aérobie et anaérobie en présence de quinoléine. La dégradation de la quinoléine a été confirmée par technique de GC/MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry). Les travaux futurs seront de vérifier la communauté de bactéries responsables de la dégradation de quinoléine en utilisant la technique de NGS (Next Generation Sequencing).Le deuxième objectif de ma thèse a été d'utiliser Genefish dont la finalité est de capturer des gènes ciblés (le gène bcr qui serait responsable de la degradation de quinoléine dans le réacteur de nos partenaires) dans l'ADN métagénomique extrait du sol. Genefish consiste à élaborer une souche d’E.coli incluant un plasmide de capture permettant de pêcher les gènes recherchés dans un échantillon d’ADN metagénomique par recombinaison homologue. Le plasmide de capture comprend une cassette de deux gènes toxiques pour la souche qui activés par induction chimique vont permettre la sélection positive directe des clones recombinants, et deux sites multiples de clonage dans lesquels sont insérées les zones de recombinaison qui vont jouer le rôle d’hameçons. Nous avons testé la capacité de Genefish à capturer des produits PCR du gène bcr, l'efficacité de recombinaison reste faible à cause de la persistance de plusieurs copies du plasmide suicide dans la cellule après l’ évenement de recombinaison. Par conséquent, trois stratégies ont été essayées pour améliorer l’efficacité: la co-électroporation, la ségrégation de plasmide et la construction de plasmide suicide en mono-copie. Finalement, la stratégie de la ségrégation plasmidique fonctionne mais l'efficacité de recombinaison est encore trop faible peut-être due à l’incertitude des modèles de recombinaison homologue. Les travaux futurs se concentreront sur l'amélioration des fréquences de recombinaison par transfert de fragments du plasmide de capture dans le chromosome de la souche Genefish. / As the development of metagenomic technologies in the past ten years, it is unquestionned that microorganisms encompass the largest resource of metabolic and genetic diversity in the world. Actually, one gramme of soil contains more than 109 bacteria and 103-104 species. Some of their members are able to carry out enzymatic reactions leading to the complete degradation of pollutants (such as quinoline). So, the biodegradation of some highly toxic or organic compounds by microorganisms will be a general trend for pollutant treatment. However, the huge reservoir of molecules and enzymes from microorganisms still need to be explored because more than 99% of microorganisms cannot be cultivated in vitro.My work was based on collaboration between the University SJTU and Ecole Centrale de Lyon. Our partners at the University SJTU have built a laboratory scale denitrification reactor which was capable of degrading quinoline by removing the chemical oxygen demand. A new tool called "Genefish" has been developed in our laboratory as an alternative method for metagenomics which aims to discover novel industrial or environmental genes of interest. Following the early work in our laboratory, my thesis is presented here in two parts.In the first part, we set up a quinoline microcosm experiment both under aerobic and anaerobic condition using reference soil extensively studied in the laboratory at Ecole Centrale de LYON. This work aimed to reveal the potential bacterial diversity and even genes responsible for quinoline degradation. We used RISA(Ribosomal intergenic Spacer analysis) to analyze the bacteria community structure changes and GC/MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) was also used to detect the quinoline degradation and reveal potential quinoline metabolic pathways under aerobic and anaerobic condition. Results showed great bacteria community structure changes and high quinoline degradation activity after the quinoline addition under aerobic condition. The future work is to investigate the bacteria community which may be responsible for quinoline degradation using the technique of NGS (Next Generation Sequencing).The second object of my thesis was to use the Genefish tool to capture targeted genes (the bcr gene responsible for the quinoline degradation in the wastewater treatment bioreactor) from the soil metagenome. The aim was to construct an E.coli strain containing a capture plasmid and Red system for capturing targeted genes from metagenomic DNA by homologous recombination. The capture plasmid includes a toxic cassette consisting of two suicide genes which can be activated by chemical induction, finally support the positive recombinants selection. It also contains two multiply cloning sites in which highly conserved sequences were inserted and works as the bait during recombination. We have tested the capacity of Genefish to capture the PCR products of bcr gene; the efficiency was low because of the persistence of several copies of the capture plasmid into the Genefish strain after recombination events. So, three strategies were tried to improve the recombination efficiency: co-electroporation, plasmid segregation and mono-copy capture plasmid construction. Finally, the strategy of plasmid segregation works but the recombination efficiency was still low maybe caused by the uncertain model of homologous recombination. The further research will focus on the transfer of the toxic cassette and homologous arms into the host strain chromosome, this new strategy will exclude the bad effect of low copy number capture plasmid, uncertain model of λ Red induced homologous recombination and the homologous arms site in the capture plasmid which are the most important factors influencing the homologous recombination efficiency in Genefish.

Le médulloblastome est une des tumeurs les plus fréquentes du système nerveux central chez l’enfant. Son impact clinique, ainsi que les effets secondaires engendrés par les traitements actuels, sont significatifs en matière de morbidité et de mortalité. La caractérisation moléculaire des tumeurs du système nerveux central a grandement évolué, et ce, particulièrement en ce qui concerne le médulloblastome. Des travaux antérieurs ont permis d’établir qu’un des sous-groupes de médulloblastome est caractérisé par l’activation de la voie sonic hedgehog. La mutation la plus fréquente menant à ce sous-type de médulloblastome est la mutation du gène suppresseur de tumeur PTCH1. Grâce au modèle de souris Ptch1+/-, des données issues de notre laboratoire ont permis de caractériser le développement de cette tumeur comme étant en deux étapes. Ce travail porte sur la caractérisation du mécanisme par lequel cette première étape, soit la perte d’hétérozygotie de Ptch1, survient. Tout d’abord, nous revisitons le rôle in vivo du corécepteur Boc dans la tumorigenèse. Selon nos résultats, la modulation de Boc ne semble pas avoir un impact significatif sur le développement tumoral dans des expériences de transplantation orthotopiques. Ensuite, nous démontrons que le ligand Shh augmente le dommage à l’ADN, ce qui mène à une hausse des évènements de recombinaisons qui peuvent causer une perte d’hétérozygotie. Nous tentons de moduler l’activité de Rad51 en observant une tendance non statistiquement significative des évènements de recombinaison avec des inhibiteurs de Rad51. Nous démontrons ensuite qu’un inhibiteur de Cdc7 permet la diminution des évènements de recombinaisons ainsi qu’une diminution du stress réplicatif de l’ADN. En intervenant sur le gène Mcm2 grâce à un modèle de souris transgénique, nous parvenons à prouver qu’une diminution de l’action de Mcm2 permet une diminution du stress réplicatif de l’ADN. En somme, la première étape du développement du médulloblastome sonic hedgehog-activé est la perte d’hétérozygotie de Ptch1. Celle-ci est caractérisée par une augmentation du dommage à l’ADN engendrant une hausse des évènements de recombinaison. Plusieurs cibles potentielles de modulation s’avèrent prometteuses pour un éventuel traitement ciblé. / Medulloblastoma is one of the most common central nervous system tumors of the child. Its clinical impact, as well as the adverse effects caused by current treatments, are significant in terms of morbidity and mortality. The molecular characterization of tumors of the central nervous system has greatly evolved, particularly in the case of medulloblastoma. Previous work has established that one of the medulloblastoma sub-groups is characterized by the activation of the sonic hedgehog (Shh) pathway. The most common mutation leading to this medulloblastoma subtype is the PTCH1 tumor suppressor gene mutation. Working with the Ptch1+/- mouse model, data from our la-boratory characterized the medulloblastoma tumorigenesis as a two-step process. This work focuses on the characterization of the mechanism by which this first step, the loss of heterozygosity of Ptch1, occurs. First, we revisit the in vivo role of the Boc coreceptor in the medulloblastoma tumor-igenesis. According to our results, Boc modulation does not seem to have a significant impact on tumor development. Next, we show that the Shh ligand increases DNA dam-age. This leads to an increase in recombination events which predispose to loss of het-erozygosity. We attempt to modulate Rad51 activity and observe a non-statistically sig-nificant trend to decrease recombination events with Rad51 inhibitors. We then demonstrate that Cdc7 inhibition reduces recombination events as well as DNA replica-tive stress. Using an Mcm2 transgenic mouse model, we demonstrate that a reduction in the action of Mcm2 reduces DNA replicative stress. To conclude, the first step in the development of Shh-activated medulloblastoma is the loss of heterozygosity of Ptch1. This is characterized by an increase in DNA damage leading to an increase in recombination events. Several potential modulation targets hold promise for possible targeted therapy.

Les sirtuines sont une famille conservée de déacétylases NAD+-dépendantes qui sont impliquées dans divers processus. Les humains possèdent 7 sirtuines (SIRT1-7) qui jouent un rôle dans plusieurs voies cellulaires, tandis que la levure Saccharomyces cerevisiae possède 5 membres (Sir2, Hst1-4) qui influencent plusieurs voies comme le cycle cellulaire ou le vieillissement. Une absence d’activité des sirtuines mène toutefois à des défauts de croissance, une thermosensibilité et l’apparition de dommages spontanés à l’ADN par des mécanismes mal élucidés. Pour mieux caractériser ce phénomène, ce mémoire met en lumière certains résultats venant d’un crible chimiogénétique réalisé par traitement au nicotinamide (NAM), un pan-inhibiteur des sirtuines. Nos résultats indiquent que le NAM entraîne chez la levure Saccharomyces cerevisiae une forte activation des voies de réponses aux dommages à l’ADN, et que les défauts de croissance sont principalement dus à l’hyperacétylation de la lysine 56 de l’histone H3 (H3K56), une modification post-traductionnelle qui est renversée par les sirtuines Hst3 et Hst4. Lors d’hyperacétylation de H3K56, la protéine Slx4 et le complexe PP4 sont requis pour la croissance de la levure en modulant les niveaux d’activation de la kinase Rad53 lors de la RDA. Également, certains résultats préliminaires inclus dans ce mémoire mettent en évidence un rôle de l’activité des sirtuines dans la régulation de la recombinaison homologue, l’une des voies de réparation de l’ADN. Ensemble, nos résultats suggèrent que la déacétylation des histones par les sirtuines permet de moduler la réponse aux dommages à l’ADN en présence de stress réplicatif. / Sirtuins are a conserved family of NAD+-dependent deacetylases that are involved in various processes. Humans have seven sirtuins (SIRT1-7) and play a role in several cellular pathways, while the budding yeast Saccharomyces cerevisiae has 5 members (Sir2, Hst1-4) and influence several pathways, such as the cell cycle or aging. Lack of sirtuin activity however leads to growth defects, thermosensitivity and spontaneous DNA damage by poorly understood mechanisms. To further characterize this phenomenon, this thesis highlights results obtained from a chemogenetic screen realized by treatment with nicotinamide (NAM), a pan-inhibitor of all sirtuins. Our results indicate that NAM causes strong activation of DNA damage-induced signaling in budding yeast Saccharomyces cerevisiae, and that growth defects are mainly due to histone H3 lysine 56 (H3K56) hyperacetylation, a post-translational modification reversed by sirtuins Hst3 and Hst4. During H3K56 hyperacetylation, the Slx4 protein and PP4 complex are both required for yeast growth by modulating the activation levels of Rad53 kinase during the DDR. Also, preliminary results included in this thesis highlight that proper regulation of homologous recombination, one of DNA repair pathways, is essential for growth in the presence of NAM-induced sirtuin inhibition. Together, our results suggest that chromosome-wide histone deacetylation by sirtuins can modulate DNA damage response in presence of replicative stress.

L'ADN de chaque cellule est constamment soumis à des stress pouvant compromettre son intégrité. Les bris double-brins sont probablement les dommages les plus nocifs pour la cellule et peuvent être des sources de réarrangements chromosomiques majeurs et mener au cancer s’ils sont mal réparés. La recombinaison homologue et la jonction d’extrémités non-homologues (JENH) sont deux voies fondamentalement différentes utilisées pour réparer ce type de dommage. Or, les mécanismes régulant le choix entre ces deux voies pour la réparation des bris double-brins demeurent nébuleux. Le complexe Mre11-Rad50-Xrs2 (MRX) est le premier acteur à être recruté à ce type de bris où il contribue à la réparation par recombinaison homologue ou JENH. À l’intersection de ces deux voies, il est donc idéalement placé pour orienter le choix de réparation. Ce mémoire met en lumière deux systèmes distincts de phosphorylation du complexe MRX régulant spécifiquement le JENH. L’un dépend de la progression du cycle cellulaire et inhibe le JENH, tandis que l’autre requiert la présence de dommages à l’ADN et est nécessaire au JENH. Ensembles, nos résultats suggèrent que le complexe MRX intègre différents phospho-stimuli pour réguler le choix de la voie de réparation. / The genome of every cell is constantly subjected to stresses that could compromise its integrity. DNA double-strand breaks (DSB) are amongst the most damaging events for a cell and can lead to gross chromosomal rearrangements, cell death and cancer if improperly repaired. Homologous recombination and non-homologous end joining (NHEJ) are the main repair pathways responsible for the repair of DSBs. However, the mechanistic basis of both pathways is fundamentally different and the regulation of the choice between both for the repair of DSBs remains largely misunderstood. The Mre11-Rad50-Xrs2 (MRX) complex acts as a DSB first responder and contributes to repair by both homologous recombination and NHEJ. Being at the crossroads of both DSB repair pathways, the MRX complex is therefore in a convenient position to influence the repair choice. This thesis unravels two distinct phosphorylation systems modifying the MRX complex and specifically regulating repair by NHEJ. The first relies on cell cycle progression and inhibits NHEJ, while the second requires the presence of DNA damage and is necessary for efficient NHEJ. Together, our results suggest a model in which the MRX complex would act as an integrator of phospho-stimuli in order to regulate the DSB repair pathway choice.

Les topoisomérases (topos) de type IA jouent un rôle primordial dans le maintien et l’organisation du génome. Cependant, les mécanismes par lesquels elles contrôlent cette stabilité génomique sont encore à approfondir. Chez E. coli, les deux principales topoisomérases de type IA sont la topo I (codée par le gène topA) et la topo III (codée par le gène topB). Il a déjà été montré que les cellules dépourvues des topos I et III formaient de très longs filaments dans lesquels les chromosomes ne sont pas bien séparés. Comme ces défauts de ségrégation des chromosomes sont corrigés par l’inactivation de la protéine RecA qui est responsable de la recombinaison homologue, il a été émis comme hypothèse que les topoisomérases de type IA avaient un rôle dans la résolution des intermédiaires de recombinaison afin de permettre la séparation des chromosomes. D’autre part, des études réalisées dans notre laboratoire démontrent que le rôle majeur de la topoisomérase I est d’empêcher la formation des R-loops durant la transcription, surtout au niveau des opérons rrn. Ces R-loops on été récemment identifiés comme des obstacles majeurs à l’avancement des fourches de réplication, ce qui peut provoquer une instabilité génomique. Nous avons des évidences génétiques montrant qu’il en serait de même chez nos mutants topA. Tout récemment, des études ont montré le rôle majeur de certaines hélicases dans le soutien aux fourches de réplication bloquées, mais aussi une aide afin de supprimer les R-loops. Chez E. coli, ces hélicases ont été identifiées et sont DinG, Rep et UvrD. Ces hélicases jouent un rôle dans la suppression de certains obstacles à la réplication. Le but de ce projet était de vérifier l’implication de ces hélicases chez le mutant topA en utilisant une approche génétique. Étonnamment, nos résultats montrent que la délétion de certains de ces gènes d’hélicases a pour effet de corriger plutôt que d’exacerber des phénotypes du mutants topA qui sont liés à la croissance et à la morphologie des nucléoides et des cellules. Ces résultats sont interprétés à la lumière de nouvelles fonctions attribuées aux topoisomérases de types IA dans la stabilité du génome. / Type 1A topoisomerases (topos) play a vital role in the maintenance and organization of the genome. However, the mechanisms by which they control genome stability still remain to be explored. In E. coli, the two type IA topoisomerases are topo I (encoded by topA) and topo III (encoded by topB). It has been shown that cells lacking topo I and III form very long filaments in which the chromosomes are not well separated. As the chromosome segregation defects are corrected by inactivation of the RecA protein, that is responsible for homologous recombination, it has been hypothesized that type IA topoisomerases have a role in the resolution of recombination intermediates to allow chromosome segregation. On the other hand, studies in our laboratory have shown that the major role of topoisomerase I is to prevent the formation of R-loops during transcription, especially at the rrn operons. These R-loops have been recently identified as major roadblocks to the progression of replication forks, which can cause genomic instability. We have genetic evidence suggesting similar effects may occur in our topA mutants. More recently, studies have shown the important role of certain helicases in eliminating roadblocks for replication forks that could sometimes be R-loops. In E. coli, these helicases have been identified and they are DinG, Rep and UvrD. The purpose of this project was to study the roles of these helicases in our topA mutant, using a genetic approach. Surprisingly, our results show that deletions of some of these genes have the effect of correcting rather than exacerbating topA mutant phenotypes that are related to the growth and cell and nucleoid morphology. These results are interpreted in the light of new functions assigned to the type IA topoisomerases in genome stability.

L’acétylation est une modification post-traductionnelle des protéines essentielles. Elle est impliquée dans bon nombre de processus cellulaires importants comme la régulation de la structure de la chromatine et le recrutement de protéines. Deux groupes d’enzymes, soient les lysines acétyltransférases et les lysines désacétylases, régulent cette modification, autant sur les histones que sur les autres protéines. Au cours des dernières années, de petites molécules inhibitrices des désacétylases ont été découvertes. Certaines d’entre elles semblent prometteuses contre diverses maladies telles le cancer. L’acide valproïque, un inhibiteur de deux des trois classes des désacétylases, a un effet antiprolifératif chez plusieurs organismes modèles. Toutefois, les mécanismes cellulaires sous-jacents à cet effet restent encore méconnus. Ce mémoire met en lumière l’effet pH dépendant de l’acide valproïque sur différentes voies cellulaires importantes chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Il démontre que ce composé a la capacité d’inhiber la transition entre les phases G1 et S par son action sur l’expression des cyclines de la phase G1. De plus, il inhibe l’activation de la kinase principale de la voie activée suite à un stress à la paroi cellulaire. L’acide valproïque occasionne également un arrêt dans la réplication de l’ADN sans y causer de dommage. Il s’agit là d’un effet unique qui, à notre connaissance, n’est pas observable avec d’autres agents qui inhibent la progression en phase S. / Acetylation is an essential post-translational modification involved in many important cellular processes such as regulation of chromatin structure and proteins interactions. Two enzyme families, lysine acetyltransferases and lysine deacetylases, allow proper regulation of this modification both on histones and non-histones proteins. In recent years, the discovery of small deacetylase inhibitors has led to promising novel therapy in the treatment against various diseases such as cancer. Valproic acid, a class I and II deacetylase inhibitor, has been shown to have antiproliferative effects in various models. However, the cellular mechanisms underlying this effect remain unknown. This thesis highlights the pH-dependent effects of VPA on numerous important cellular pathways in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Our results demonstrate that VPA inhibits the transition from G1 to S phase of the cell cycle by its action on the expression of G1 cyclins. Moreover, VPA inhibits the activation of the main kinase involved in the cell wall integrity pathway. Furthermore, VPA exposure also leads to DNA replication arrest in a DNA damage-independent manner. This is a unique effect that, to our knowledge, is not observable with other agents that inhibit S phase progression.

La réparation des cassures double brin (CDB) de l'ADN par recombinaison est essentielle au maintien de l'intégrité du génome de tous les être vivants. Ce processus doit cependant être finement régulé puisque la recombinaison peut générer des mutations ou des réarrangements chromosomiques, parfois extrêmement délétères pour la cellule. Les CDB peuvent être réparées par deux mécanismes : la recombinaison non homologue (ou jonction des extrémités d'ADN) ou la recombinaison homologue (impliquant une homologie de séquence entre les molécules recombinantes). Dans les cellules somatiques, les deux voies principales de recombinaison homologue (RH) sont la voie Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA) dépendante de la recombinase RAD51 et la voie Single Strand Annealing (SSA) indépendante de RAD51. Nos résultats ont d'abord mis en évidence un rôle inattendu de XRCC2, RAD51B et RAD51D - trois paralogues de RAD51 - dans la voie SSA. Nous avons confirmé que la fonction de la protéine XRCC2 dans la voie SSA ne dépend pas de RAD51, ce qui démontre que certains paralogues de RAD51 ont acquis des fonctions indépendantes de la recombinase. La différence de sévérité des phénotypes des mutants individuels ainsi que les analyses d'épistasie menées sur le double et le triple mutant suggèrent des fonctions individuelles de ces protéines au cours du SSA. Nous proposons qu'elles facilitent l'étape d'hybridation des deux séquences complémentaires situées de part et d'autre de la cassure, bien que ceci reste à confirmer par des études in vitro. L'étude des fonctions de l'hétérodimère XPF-ERCC1 - un complexe impliqué dans le clivage des extrémités d'ADN non homologues au cours des voies de RH - a révélé un rôle inhibiteur de ce complexe sur la voie SDSA. Cette action est dépendante de son activité endonucléasique et serait liée au clivage des longues extrémités 3' sortantes réalisant l'invasion d'un duplex d'ADN homologue, l'étape initiale de la voie SDSA. Notre étude a de plus confirmé que le rôle du complexe dépend de la longueur des extrémités non homologues chez Arabidopsis, comme chez les mammifères et la levure. Bien que le complexe XPF-ERCC1 soit essentiel au clivage des longues extrémités d'ADN non homologue, il n'est pas requis à l'élimination des courtes extrémités au cours de la RH. / The repair of DNA double-strand breaks (DSB) by recombination is essential for the maintenance of genome integrity of all living organisms. However, recombination must be finely regulated as it can generate mutations or chromosomal rearrangements, sometimes extremely deleterious to the cell. DSB can be repaired by two classes of recombination mechanism: non-homologous recombination (or DNA End Joining) or homologous recombination (implicating DNA sequence homology between the recombining molecules). In somatic cells, the two main pathways of homologous recombination (HR) are RAD51-dependent Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA) and RAD51-independent Single Strand Annealing (SSA). Our results have demonstrated an unexpected role of XRCC2, RAD51B and RAD51D - three RAD51 paralogues – in the SSA pathway. We confirmed that the function of XRCC2 in SSA does not depend upon RAD51, thus demonstrating that some RAD51 paralogues have acquired RAD51 recombinase-independent functions. The different severities of individual mutant phenotypes and epistasis analyses carried out on the double and triple mutants suggest individual functions of these proteins in SSA recombination. We propose that they facilitate hybridization of the two complementary sequences located on both sides of the break, although this remains to be confirmed by in vitro experiments. Study of the roles of XPF-ERCC1 - a complex involved in the cleavage of non-homologous DNA ends during HR - revealed an inhibitory role of this complex on the SDSA pathway. This is dependent on its endonuclease activity and is probably due to the cleavage of long 3' ends performing the homologous DNA duplex invasion, the initial step of the SDSA pathway. Our analyses also confirmed that the role of the complex depends on the length of the nonhomologous ends, as seen in mammals and yeasts. Although XPF-ERCC1 is essential for the cleavage of long nonhomologous DNA ends, it is not required for the elimination of short ends during HR.

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.

L'ADN de chaque cellule est constamment soumis à des stress pouvant compromettre son intégrité. Les bris double-brins sont probablement les dommages les plus nocifs pour la cellule et peuvent être des sources de réarrangements chromosomiques majeurs et mener au cancer s’ils sont mal réparés. La recombinaison homologue et la jonction d’extrémités non-homologues (JENH) sont deux voies fondamentalement différentes utilisées pour réparer ce type de dommage. Or, les mécanismes régulant le choix entre ces deux voies pour la réparation des bris double-brins demeurent nébuleux. Le complexe Mre11-Rad50-Xrs2 (MRX) est le premier acteur à être recruté à ce type de bris où il contribue à la réparation par recombinaison homologue ou JENH. À l’intersection de ces deux voies, il est donc idéalement placé pour orienter le choix de réparation. Ce mémoire met en lumière deux systèmes distincts de phosphorylation du complexe MRX régulant spécifiquement le JENH. L’un dépend de la progression du cycle cellulaire et inhibe le JENH, tandis que l’autre requiert la présence de dommages à l’ADN et est nécessaire au JENH. Ensembles, nos résultats suggèrent que le complexe MRX intègre différents phospho-stimuli pour réguler le choix de la voie de réparation. / The genome of every cell is constantly subjected to stresses that could compromise its integrity. DNA double-strand breaks (DSB) are amongst the most damaging events for a cell and can lead to gross chromosomal rearrangements, cell death and cancer if improperly repaired. Homologous recombination and non-homologous end joining (NHEJ) are the main repair pathways responsible for the repair of DSBs. However, the mechanistic basis of both pathways is fundamentally different and the regulation of the choice between both for the repair of DSBs remains largely misunderstood. The Mre11-Rad50-Xrs2 (MRX) complex acts as a DSB first responder and contributes to repair by both homologous recombination and NHEJ. Being at the crossroads of both DSB repair pathways, the MRX complex is therefore in a convenient position to influence the repair choice. This thesis unravels two distinct phosphorylation systems modifying the MRX complex and specifically regulating repair by NHEJ. The first relies on cell cycle progression and inhibits NHEJ, while the second requires the presence of DNA damage and is necessary for efficient NHEJ. Together, our results suggest a model in which the MRX complex would act as an integrator of phospho-stimuli in order to regulate the DSB repair pathway choice.