Cette thèse est consacrée à une enquête sur la structure et la dynamique, avec des modèles théoriques et essais de laboratoire, sur deux types communs de défauts arrivant dans la molécule d’ADN, après des dégâts de radiation ou le produit chimique: mésappariements des base(MB) et casseurs de brin.Tels défauts pourraient arriver naturellement, d’imperfections dans le processus cellulaire, induit par l’environnement et ou induit artificiellement, comme pour la radiothérapie de cancer. Nous avons utilisé la spectroscopie de force moléculaire exécutée par des pinces optiques accompagnées par des simulations all-atom en Dynamique Moléculaire (MD), pour caractériser des MB dans des hairpin d’ADN. Ensuite nous avons construit des modèles structurels pour les casseurs de brin d’ADN, dans les deux indexent les éléments constitutifs de la chromatine: le ADN linker et le nucléosome. Grâce à l'application de diffèrent techniques (Essential Dynamics, Steered MD, …) on a caractérisé les stades précoces de l’évolution de cette lésion d’ADN dans les deux éléments. / This thesis is dedicated to a combined theoretical and experimental investigation of the structure and dynamics of two common types of defects occurring in the DNA molecule, after chemical or radiation damage: basemismatches and strand breaks. We used single-molecule force spectroscopy performed by optical tweezers accompanied by Molecular Dynamics (MD) all-atom simulations, to characterize mismatches in short DNA hairpins. We demonstrate that it is possible to use SMFS. Subsequently, we designed structural models for the DNA strand-break defects, in the two key constitutive elements of the chromatin: the DNA linker and the nucleosome. Using different techniques (Essential Dynamics, steered MD, covariant mechanical stress, …) we characterized the early stages of the evolution of this DNA lesion in the two elements.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les génomes de bactériophages ont une capacité remarquable d'évolution. L'objectif de ma thèse a été d'étudier le rôle des recombinases de bactériophages dans cette évolution. Notre hypothèse était que les recombinases phagiques diffèrent de la recombinase bactérienne RecA par une fidélité relâchée lors de la réaction de recherche d'homologie, qui pourrait expliquer en partie la très grande plasticité des génomes de bactériophages. Nous avons tout d'abord utilisé une approche bioinformatique basée sur la recherche d'homologies lointaines pour prédire un maximum de gènes de recombinases dans les génomes entièrement séquencés, puis nous avons confirmé l'activité de recombinaison de certaines d'entre elles, par un test d'appariement d'ADN simple brin entre séquences identiques in vivo. Ceci nous a permis de conclure qu'il existait trois superfamilles de recombinases chez les bactériophages, de type Rad52, Rad51/RecA et Gp2.5, présentes dans 42% des 465 génomes analysés. Dans un deuxième temps, nous avons comparé six de ces recombinases à RecA et avons montré que toutes étaient capables de faire de l'appariement simple brin in vivo, contrairement à RecA. Pour deux d'entre elles, Redβ de Lambda (type Rad52) et Sak4 de HK620 (type Rad51/RecA), nous avons observé que l'appariement simple brin continuait à se produire, avec une efficacité diminuée, jusqu'à 13% de divergence entre les séquences. L'appariement d'ADN simple brin est donc une propriété commune aux recombinases de bactériophages qui les distingue de RecA, et semble pouvoir se maintenir pour un niveau élevé de divergence, ce qui soutient l'hypothèse d'une recombinaison homologue différente et plus relâchée dans sa fidélité chez les bactériophages.

Les génomes de bactériophages ont une capacité remarquable d’évolution. L’objectif de ma thèse a été d’étudier le rôle des recombinases de bactériophages dans cette évolution. Notre hypothèse était que les recombinases phagiques diffèrent de la recombinase bactérienne RecA par une fidélité relâchée lors de la réaction de recherche d’homologie, qui pourrait expliquer en partie la très grande plasticité des génomes de bactériophages. Nous avons tout d’abord utilisé une approche bioinformatique basée sur la recherche d’homologies lointaines pour prédire un maximum de gènes de recombinases dans les génomes entièrement séquencés, puis nous avons confirmé l’activité de recombinaison de certaines d’entre elles, par un test d’appariement d’ADN simple brin entre séquences identiques in vivo. Ceci nous a permis de conclure qu’il existait trois superfamilles de recombinases chez les bactériophages, de type Rad52, Rad51/RecA et Gp2.5, présentes dans 42% des 465 génomes analysés. Dans un deuxième temps, nous avons comparé six de ces recombinases à RecA et avons montré que toutes étaient capables de faire de l’appariement simple brin in vivo, contrairement à RecA. Pour deux d’entre elles, Redβ de Lambda (type Rad52) et Sak4 de HK620 (type Rad51/RecA), nous avons observé que l’appariement simple brin continuait à se produire, avec une efficacité diminuée, jusqu’à 13% de divergence entre les séquences. L’appariement d’ADN simple brin est donc une propriété commune aux recombinases de bactériophages qui les distingue de RecA, et semble pouvoir se maintenir pour un niveau élevé de divergence, ce qui soutient l’hypothèse d’une recombinaison homologue différente et plus relâchée dans sa fidélité chez les bactériophages. / Bacteriophage genomes have a remarkable ability to evolve. The aim of my thesis was to study the role of bacteriophage recombinases in this evolution. Our hypothesis was that such recombinases differ from the bacterial RecA recombinase by a relaxed fidelity during homology search, which may partly explain the high plasticity of bacteriophage genomes. We first used a bioinformatics approach based on remote homology search to predict a maximum of recombinase genes in completely sequenced genomes, and confirmed the recombination activity of some of them by a single-strand DNA annealing assay between identical sequences in vivo. This allowed us to conclude that there were three superfamilies of bacteriophage recombinases, Rad52-like, Rad51/RecA-like and Gp2.5-like, which were present in 42% of the 465 genomes analyzed. In a second step, we compared six of these recombinases to RecA and showed that all were able to anneal single-stranded DNA in vivo, in contrast to RecA. For two of them, Redβ of Lambda (Rad52-like) and Sak4 of HK620 (Rad51/RecAlike), we also observed that they were able to anneal non identical (13% of divergence) single-stranded DNA, with a reduced efficiency. We conclude that the single-stranded DNA annealing is a property common to recombinases of bacteriophages, which is absent in RecA, and seems to tolerate diverged sequences. This supports the hypothesis of a different and more relaxed recombination in bacteriophages.

Au cours de la réplication de l’ADN, les cellules rencontrent régulièrement des obstacles d’origine endogène et exogène qui peuvent mettre en péril la réplication des génomes et menacer la duplication et ségrégation des chromosomes en mitose. La Recombinaison Homologue (RH) a un rôle bien caractérisé dans la réparation des cassures double-brin. Par contre, son rôle dans la protection et le redémarrage des fourches de réplication est moins bien caractérisé. Il a été montré par l’équipe que le redémarrage des fourches bloquées par la RH dépend de la formation d’ADN simple-brin et pas d’une cassure double-brin.Afin d’étudier les mécanismes par lesquels la RH contribue au sauvetage des fourches de réplication bloquées, un système permettant de bloquer localement la progression d’une seule fourche de réplication a été utilisé. Cet essai génétique a permis de montrer que le redémarrage de fourches bloquées par la RH est associé à une synthèse d’ADN fautive suite à des événements de glissement de la polymérase au niveau de micro-homologies. Un marqueur génétique a été associé à la barrière de réplication afin de mesurer l’efficacité de redémarrage des fourches bloquées et d’étudier l’étape de résection (i.e formation de l’ADN simple brin) dans différents fonds génétiques.Dans ce travail, le rôle de facteurs impliqués dans la résection a été étudié dans le contexte d’un blocage de fourche de réplication. Comme pour la réparation de cassures double-brin, la résection des fourches bloquées se fait en deux étapes : résection initiale et extensive. La résection initiale, de faible portée, dépend du complexe MRN (Mre11/Rad50/Nbs1) et Ctp1. A cette étape, la dégradation de l’ADN néosynthétisé se fait sur une distance de 110 bp. Cette résection est suffisante pour permettre de recruter les facteurs de la RH, mais est aussi nécessaire pour que les fourches continuent à être résectées. L’absence de MRN et/ou Ctp1 conduit à un défaut de redémarrage. La résection extensive, qui expose de l’ADN simple brin sur une distance de 0,8 à 1Kb, est largement dépendante de la nucléase Exo1. Contrairement à la résection initiale, la résection extensive n’est pas critique pour le redémarrage des fourches par la RH.De façon intéressante, le facteur Ku, connu pour être impliqué dans la jonction d’extrémités non-homologue, a un rôle dans le contrôle de la résection initiale et extensive et dans l’optimisation du redémarrage des fourches bloquées. Plus précisément, en absence de Ku, de l’ADN simple-brin s’accumule en amont des fourches bloquées, et la dynamique de redémarrage est affaiblie, mais pas abolie. Globalement, ces résultats clarifient une étape cruciale dans le redémarrage des fourches par la RH : la résection. / On a regular basis, cells encounter endogenous and exogenous replication stresses that jeopardize the progression of replication forks, thus threatening both the accuracy of chromosome duplication and their segregation during mitosis. Homologous recombination (HR) has a well-known role in repairing DNA double strand breaks (DSB). Other less acknowledged functions of HR are to protect and restart impeded forks. As it was previously reported by the team, restarting replication forks by HR requires the exposure of a single-stranded gap through fork resection, and not a DSB, to allow the recruitment of recombination factors.To study the effects of HR in blocked replication forks, a conditional fork barrier (RFB) was used to terminally-arrest replication at a specific locus. This construct allowed to determine that replication restart by HR is error-prone, leading to replication forks liable to slippage at micro-homology. A genetic reporter assay was placed in the vicinity of the RFB to allow the efficiency of replication restart and the step of resection to be quantified.In here, we explored factors involved in the formation of ssDNA gaps at halted replication forks. Similarly to DSB repair, resection in fork restart occurs in two steps. The initial resection is performed by MRN (Mre11/Rad50/NBS1) and Ctp1. This small degradation of approximately 110 bp of newly synthetized strands is sufficient to recruit HR factors and is required to promote the subsequent resection. The absence of either MRN or Ctp1 leads to defective replication restart by HR. The extensive resection (about 0.8-1Kb in size) is largely dependent on the nuclease Exo1, and it is not required for efficient fork restart.Interestingly, the non-homologous end-joining factor Ku was found to have a role in orchestrating initial and extensive resection and fine-tuning fork restart. Specifically, in the absence of Ku, ssDNA accumulates at the terminally-arrested replication forks, and fork restart dynamics is decreased, but not abolished. Overall, these results shed light on a delicate step of replication fork recovery by homologous recombination: resection.

Les interactions ARN-protéine interviennent dans de nombreux processus cellulaires fondamentaux. L'obtention de détails à l'échelle atomique de ces interactions nous éclaire sur leurs fonctions, mais permet également d'envisager la conception rationnelle de ligands pouvant les moduler. Lorsque les deux techniques majeures que sont la RMN et la cristallographie aux rayons X ne permettent pas d'obtenir une structure 3D entre les deux partenaires, des approches de docking peuvent être utilisées pour apporter des modèles. L'application de ces approches aux complexes ARN-protéine se heurtent cependant à une difficulté. Ces complexes résultent en effet souvent de la liaison spécifique d'une courte séquence d'ARN simple-brin (ARNsb) à sa protéine cible. Hors, la flexibilité inhérente aux segments simples-brins impose dans une approche classique de docking d'explorer un large ensemble de leur espace conformationnel. L'objectif du projet est de contourner cette difficulté par le développement d'une approche de docking dite "par fragments". Ce dernier s'est fait à partir de domaines de liaison à l'ARN très représentés dans le monde du vivant. Les résultats ont montré une excellente capacité prédictive de l'approche à partir de la séquence de l'ARN. Ils ont de plus montré un potentiel intéressant dans la prédiction de séquences d'ARN simple-brin préférentiellement reconnues par des domaines de liaisons à l'ARN. / RNA-protein interactions mediate numerous fundamental cellular processes. Atomic scale details of these interactions shed light on their functions but can also allow the rational design of ligands that could modulate them. NMR and X-ray crystallography are the 2 main techniques used to resolve 3D highresolution structures between two interacting molecules. Docking approaches can also be utilized to give models as an alternative. However, the application of these approaches to RNA-protein complexes is hampered by an issue. RNA-protein interactions often relies on the specific recognition of a short singlestranded RNA (ssRNA) sequence by the protein. The inherent flexibility of the ssRNA segment would impose, in a classical docking approach, to explore their resulting large conformation space which is not computationally reliable. The goal of this project is to overcome this barrier by using a fragment-based docking approach. This approach developed from some of the most represented RNA-binding domains showed excellent results in the prediction of the ssRNA-protein binding mode from the RNA sequence and also a great potential to predict preferential RNA binding sequences.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Résumé : Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, la régulation de la longueur des télomères témoigne de la compensation entre mécanismes d'érosion (exonucléases, réplication semi-conservative et résection), facteurs d’élongation (la télomérase, transcriptase inverse à l'action retrouvée dans 90% des cancers humains) et actions de diverses protéines de régulation télomérique spécifiques, conférant aux télomères leur caractère de « capuchon » protégeant les extrémités des chromosomes eucaryotes. Afin de savoir si les gènes impossibles à déléter, car essentiels à la survie cellulaire, jouent aussi un rôle sur l’homéostasie télomérique, j'ai réalisé un criblage génétique utilisant des mutants tet-off de la levure pour lesquels la sous-expression considérable d'un gène essentiel a été induite de façon conditionnelle. Ceci permet d’étudier les effets qui en résultent sur l’homéostasie des télomères. Au total, mon travail a traité plus de 662 gènes essentiels pour lesquels j'ai analysé le phénotype de longueur des télomères de manière qualitative par comparaison des télomères de souches mutées par rapport à ceux de souches de type sauvage. Puis, grâce à l’amélioration technique que j'ai mise au point, la quantification de la taille des répétitions télomériques de 300 de ces souches a déjà pu être précisément analysée. Il est notable que tous les gènes essentiels étudiés ici ont des effets très différents qui résultent en des chromosomes possédant des télomères de longueur très inégale. Pour près de 40% des mutants analysés, les tailles de télomères sont apparues critiquement différentes de celles normalement présentées par la levure, beaucoup de ces gènes essentiels étant impliqués dans des mécanismes affectant le cycle cellulaire, la réparation, etc. La majorité des gènes criblés apporte un important complément d’information dans une littérature presque inexistante sur les effets de gènes essentiels de la levure au niveau de la biologie des télomères. C’est le cas des mutations de YHR122W (montrant des télomères long) et YOR262W (télomères courts), deux gènes qui sont apparus d'après mes résultats nécessaires au maintien de l'homéostasie télomérique (prenant place dans un grand ensemble de gènes que j’ai dénommé gènes ETL pour Essential for Telomere Length Maintenance). / Abstract : In the yeast Saccharomyces cerevisiae, the regulation of telomere length reflects the offset between erosion mechanisms (exonucleases, semi-conservative replication and resection), elongating factors (via the telomerase reverse transcriptase, which is found in 90 % of human cancers) and actions of various specific telomeric regulatory proteins, which collectively confer telomeres their property of being a "Cap" that protects the ends of eukaryotic chromosomes. To determine whether essential genes that can not be suppressed also play a role in telomere homeostasis, I realized a genetic screen with yeast tet-off mut ants in which a significant under-expression of an essential gene was induced. This allows to study the resulting effects on telomere homeostasis. Overall, my work dealt with more than 662 essential genes for which I analyzed the telomere length phenotypes qualitatively by comparing telomere lengths in mutant strains to those in wild-type strains. Furthermore, via technical improvements that I developed, a quantification of the sizes of telomeric repeats from 300 of these strains was determined. It is notable that all essential genes studied here have very different effects resulting in chromosomes with very unequal lengths of telomeres. For nearly 40% of the analyzed mutants, telomeres sizes appeared to be critically different from those in wt yeast. Many of these essential genes are involved in mechanisms affecting the cell cycle, DNA replication, DNA repair, etc. The majority of genes revealed in our screen provide important additional information to an almost non-existing literature on the effects of essential genes on yeast telomere biology. This is particularly the case for underexpressing the gene YHR122W (yielding long telomeres) and YOR262W (yielding short telomeres). Both genes hence emerged from my results as necessary to maintain telomere homeostasis and collectively they are part of a large set of genes I called ETL genes for Essential for Telomere Length.

Ce mémoire de thèse présente mes travaux sur la détermination de la susceptibilité et de la résistance des intégrases (INs) du virus de l'immunodéficience humaine (VIH) aux inhibiteurs de transfert de brins de l'IN (INSTIs) ainsi que le développement de fragments d'anticorps simple-chaîne (sdAbs) ciblant l'IN du VIH. Tout d'abord, car les études antérieures ont suggéré que les variations significatives de l'IN de souche CRF02_AG pourrait avoir des effets consécutifs sur l'interaction entre l'inhibiteur et l'IN, la susceptibilité de l'IN de souche CRF02_AG du VIH-1 aux dernières INSTIs a été déterminée. Accord avec l'étude in silico, nous avons mis en évidence que l'activité de 3'-processing et de transfert de brin des INs de souche B et de souche CRF02_AG sont comparables. La susceptibilité des INs recombinantes de souche CRF02_AG aux INSTIs utilisés (Raltégravir-RAL, Elevitégravir-EVG et L-731, 988) est similaire à celle de l'IN de souche B, malgré les variations naturelles qui se produisent dans les INs de souche CRF02_AG. Le polymorphisme de l'IN de CRF02_AG n'a pas d'effet significatif sur la susceptibilité aux INSTIs. Dans un second temps, la résistance de l'IN du VIH-2 au RAL, l'unique INSTI approuvé, a été confirmée in vitro avec des enzymes mutées portant des mutations de résistance. Les mutations aux positions 155 et 148 jouent un rôle similaire pour les VIH-1 et VIH-2, en rendant l'IN résistante au RAL. La mutation G140S confère peu de résistance, mais compense le défaut catalytique dû à la mutation Q148R. À l'inverse, Y143C seule ne confère pas de résistance au RAL excepté si la mutation E92Q est également présente. De plus, l'introduction de la mutation Y143C dans le mutant résistant N155H baisse le niveau de résistance de l'enzyme contenant la mutation N155H, ce qui pourrait expliquer l'absence de détection de ces deux mutations ensemble dans un seul génome. Enfin, des anti-VIH sdAbs avec nombreuses propriétés intéressantes ont été sélectionnés pour développer des agents antirétroviraux. Après la sélection de sdAb ciblant l'IN du VIH, nous avons obtenu des qui sdAbs qui reconnaissent spécifiquement une vaste gamme d'INs in vitro, y compris le mutant G140S/Q148R résistant aux INSTIs. Néanmoins, l'activité inhibitrice des sdAbs n'a pas été observée. Les sdAbs ciblant l'IN du VIH peuvent être utilisés pour d'autres applications, telles que des réactifs ciblant des nanocapteurs. À l'avenir, en raison des avantages uniques des sdAbs, le développement de sdAbs anti-IN du VIH qui bloquent la réplication du VIH reste attractive pour l'obtenir des inhibiteurs efficaces de l'IN.