Les Sites Fragiles Communs (SFC) sont des loci incluant des grands gènes où des cassures chromosomiques apparaissent chez des cellules soumises à un stress réplicatif. Il est couramment admis que ces sites sont des régions dont la réplication n’est pas terminée lorsque les cellules entrent en mitose mais le mécanisme sous-jacent restait mal compris. Notre laboratoire a montré par la technique du peignage moléculaire que l’instabilité du site FRA3B chez les lymphocytes est due à la présence d’une grande région pauvre en origines de réplication actives (cœur) dont la réplication ne peut pas se terminer en cas de stress réplicatif. Dans le but de généraliser ces conclusions, j’ai étudié par la technique du « Répli-Seq », le timing de réplication à l’échelle du génome entier chez des cellules lymphoblastoïdes humaines traitées ou non à l’aphidicoline. Les résultats confirment clairement que les SFC connus dans ce type cellulaire correspondent à des régions incluant un grand gène et qui sont déficitaires en réplication sous un stress réplicatif. D’autre part, j’ai montré que retarder l’entrée des cellules en mitose par l’utilisation du RO-3306, un inhibiteur de CDK1, abolit complètement la fragilité des SFC induite par l’aphidicoline chez des lymphocytes et des fibroblastes humains. De plus, j’ai montré que cette suppression des cassures au niveau de FRA3B et FRA16D chez les lymphocytes et de FRA1L chez les fibroblastes ne s’accompagne pas d’une diminution de la transcription de FHIT, WWOX et NEGR1, les trois grands gènes contenus respectivement dans ces trois SFC. Par ailleurs, j’ai corrélé l’expression des gènes FHIT, WWOX, NEGR1 et LSAMP à la fragilité des sites FRA3B, FRA16D, FRA1L et FRA3L dans 7 lignées de fibroblastes et 7 lignées de lymphocytes. J’ai aussi mis en évidence une expression atypique de ces gènes dans certaines de ces lignées et montré que cette expression atypique s’accompagne d’une fragilité atypique du SFC correspondant. Cependant, j’ai montré que l’inhibition de la transcription par deux inhibiteurs différents, le triptolide et l’α-amanitine, ne diminue pas la fragilité induite par l’aphidicoline. Je propose un modèle pour expliquer ces résultats apparemment contradictoires. Enfin, j’ai corrélé la disparition des cassures au niveau de FRA3B dans les cellules traitées à l’aphidicoline et au RO-3306 à une augmentation des événements d’initiation dans la région cœur. J’ai montré que l’inhibition de CDK1 par le RO-3306 permet l’accumulation à la chromatine des facteurs CDC6, CDT1, ORC1 et MCM7 dans les cellules bloquées en phase G2 et que l’accumulation de CDT1 et de CDC6 est indispensable à la diminution de la fragilité sous RO-3306. Je propose un modèle permettant de rendre compte de ces observations qui postule l’existence d’origines de réplication latentes partiellement chargées en complexes de pré-réplication. / Common Fragile Sites (CFS) are loci harboring large genes where chromosome breaks occur in cells under replication stress. It is widely accepted that these sites are regions whose replication is incomplete when cells enter mitosis, but the underlying mechanism remains poorly understood. Our laboratory has shown by the technique of molecular combing, that the instability of FRA3B in lymphocytes is due to the presence of a large region poor in active replication origins (core) whose replication can not be completed under replicative stress. In order to generalize these findings, I studied by the technique of "Repli-Seq", the replication timing across the entire genome in human lymphoblastoid cells treated or not with aphidicolin. The results clearly confirm that CFS known in this cell type correspond to regions including large genes and which are underreplicated under replication stress conditions. Moreover, I have shown that delaying entry of cells into mitosis by using RO-3306, an inhibitor of CDK1, completely abolishes the fragility of SFC induced by aphidicolin in human lymphocytes and fibroblasts. I also have shown that abolition of the breaks at FRA3B and FRA16D in lymphocytes and at FRA1L in fibroblasts is not accompanied by a decreased transcription of FHIT, WWOX and NEGR1, respectively, the three large genes including these three SFC. Moreover, I have correlated the expression of FHIT, WWOX, NEGR1 and LSAMP genes to the fragility of FRA3B, FRA16D, FRA1L and FRA3L sites in 7 lines of fibroblasts and 7 lines of lymphocytes. I also highlighted an atypical expression of these genes in some of these lines and showed that this atypical expression is accompanied by an unusual fragility of the corresponding CFS. However, I have also shown that inhibition of transcription by two different inhibitors, triptolide and α-amanitine, does not diminish the fragility induced by aphidicolin. I propose a model to explain these apparently contradictory results.Finally, I have correlated the disappearance of breaks at FRA3B in cells treated with aphidicolin and RO-3306 with an increase in initiation events in the core region. I have shown that inhibition of CDK1 by the RO-3306 allows the accumulation of factors CDC6 CDT1, ORC1 and MCM7 on the chromatin in cells blocked in G2 phase, and that the accumulation of CDT1 and CDC6 is essential to reducing fragility under RO-3306. I propose a model to explain these observations that postulates the existence of latent replication origins partially loaded with the pre-replication complex.

Les sites fragiles communs (SFC) sont des loci instables en cas de stress réplicatif et des lieux préférentiels de réarrangements dans les tumeurs. Les SFC sont associés aux plus grands gènes du génome et il a été proposé que la transcription de ces gènes soit à l'origine de cassures de l'ADN. Cependant, de nombreux grands gènes transcrits ne sont pas fragiles. Un second modèle, celui de notre laboratoire, associe la fragilité des SFC à un programme de réplication particulier, combinant pauvreté en événements d'initiation et réplication tardive. Il serait alors possible que la transcription soit liée à leur programme de réplication, ce qui conduirait à la fragilité. Pour mieux comprendre ces relations, j'ai modifié la transcription de deux grands gènes et analysé les conséquences sur leur réplication et leur fragilité. Ces manipulations génétiques sont réalisées dans le modèle aviaire DT40, qui permet la modification ciblée d'ADN par recombinaison homologue avec une grande efficacité. De façon surprenante, j'ai observé que la fragilité d'un grand gène est diminuée aussi bien en abolissant sa transcription qu'en l'augmentant. J'ai étudié la densité en événements d'initiation par peignage moléculaire au locus et le programme temporel de réplication dans des clones présentant des niveaux différents de transcription. J'ai ainsi pu montrer que la surexpression massive de deux grands gènes avance le programme temporel de la réplication, les préservant de la fragilité. Au cours de ma thèse, j'ai donc montré que la transcription exerce des effets antagonistes sur la stabilité du génome, bénéfiques ou délétères, selon le niveau d'expression des grands gènes associés aux SFC. / Common Fragile Sites (CFSs) are loci displaying instability upon replicative stress, which localization correlates with chromosomal rearrangements in tumours. CFSs are associated with the largest genes of the genome and it has been proposed that their transcription leads to DNA breaks. However, many transcribed large genes are not fragile. Our laboratory proposed an alternative model in which CFS instability results from a specific replication program, combining late replication with paucity in initiation events. To reconcile the two models, we hypothesized that transcription impacts the replication programs. In order to characterize those potential relationships, I manipulated the transcription of two large genes associated with CFSs and determined the consequences of these manipulations on replication and fragility. I used chicken DT40 cells to perform these analyses because this cellular model allows efficient engineering of specific DNA sequences by homologous recombination. Surprisingly, I observed that increasing or suppressing transcription of large gene both lead to a decrease fragility. I then analyzed clones displaying variable transcription levels. I determined the distribution and density of initiation event, using molecular combing at two loci, as well as the profiles of replication timing along the genes. I showed that a massive overexpression of two large genes led to an earlier replication timing. Overall, my results highlight the opposite effects of transcription on genome stability, which range from beneficial to deleterious depending on the expression level of large genes associated with CFSs.

Les sites fragiles communs (SFCs) sont des régions génomiques particulièrement sensibles au stress réplicatif et sont impliqués dans l’initiation et la progression du cancer. L’Anémie de Fanconi (AF) est une maladie génétique rare qui se caractérise principalement par une aplasie médullaire, des malformations congénitales ainsi qu’une forte prédisposition au cancer chez les patients (leucémies myéloïdes et tumeurs solides de la tête et du coup). L’instabilité génomique a été identifiée comme étant une source majeure de prédisposition des patients AF au cancer et les SFCs sont particulièrement sensibles dans cette maladie. L’AF est causée par la mutation de gènes codant des protéines participant à une voie moléculaire appelée voie FANC qui a été décrite dans la réparation des ponts inter-brins. Malgré l’importance de la voie FANC dans le maintien de la stabilité des SFCs, les mécanismes sous-jacents restent à élucider. Au cours de ma thèse, nous avons identifié un nouveau rôle de FANCD2 dans le maintien des SFCs. En effet, nous montrons que FANCD2 atténue l’expression des gènes présents au sein des SFCs maintenant leur stabilité. De plus, nous montrons que la transcription de ces gènes est nécessaire au recrutement et au rôle de FANCD2 au sein de ces régions. Enfin, nous avons identifié le stress métabolique comme étant un signal induisant l’expression des gènes des SFCs et que FANCD2 module cette réponse. La réduction de ce stress pourrait être une piste thérapeutique intéressante afin de prévenir l’instabilité des SFCs dans l’AF. / Common fragile sites (CFSs) are genomic regions prone to form breaks and gaps on metaphase chromosomes after replicative stress and promote genomic instability in the earliest steps of tumor development. Proteins involved in replication/repair of CFSs are necessary to prevent their instability. Among them is FANCD2, a key protein of the FANC pathway necessary to resolve inter-strand crosslinks and defective in Fanconi Anemia (FA). FA is a rare genomic instability disorder characterized by bone marrow failure, congenital abnormalities and predisposition to acute myeloid leukemia and epithelial cancer. Genomic instability in FA is supposed to predispose patients to cancers. Importantly, CFSs are more unstable in FA and chromosome breaks observed in FA cells occur preferentially at CFSs. During my PhD, we identified a new role of FANCD2 in CFS stability maintenance. We show that FANCD2 attenuates transcription of the large genes present at CFSs, preventing their instability. Moreover, we demonstrate that transcription is necessary for FANCD2 recruitment and function at CFSs. Importantly, we identified the metabolic stress as a signal triggering CFS gene expression and FANCD2 is necessary to modulate this response. Reducing this stress is a promising therapeutic issue to prevent CFS and genomic instability in FA.

Les Sites Fragiles Communs (SFCs) sont des points de cassures chromosomiques récurrents survenant suite à un stress réplicatif. La majorité d'entre eux ont été identifiés suite à un traitement à l'Aphidicoline (APC), un inhibiteur des ADN polymérases, ce qui explique pourquoi l'étude de leur fragilité est majoritairement basée sur des perturbations de la réplication. Parmi les facteurs impliqués dans la fragilité, ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3 Related), une kinase engagée dans la signalisation des fourches de réplication bloquées, et sa cible CHK1 (Checkpoint Kinase 1), induisent l'apparition de cassures aux SFCs lorsqu'ils sont déplétés dans la cellule. Cependant, ces gènes sont difficiles à étudier car leur déplétion totale est létale pour les cellules. Nous avons donc choisi de développer un modèle basé sur l'utilisation de la lignée MSI de cancer colorectal HCT116de laquelle nous avons isolé des clones haploinsuffisants pour ATR ou CHK1.Ces mutations sont naturelles et sont d'ailleurs dans les cancers MSI. Aujourd'hui, de nouvelles données montrent que la transcription semble aussi être impliquée dans l'induction de certains SFCs. Pour étudier ce mécanisme, nous nous sommes servis de cellules déficientes pour la Topoisomérase 1 (Topo1) grâce à un shARN inductible. Cette protéine est impliquée dans la gestion des interférences entre les machineries de réplication et de transcription et son inhibition est à l'origine d'une forte instabilité chromosomique.Nos études démontrent tout d'abord que l'haploinsuffisance d'ATR ou de CHK1 retrouvée dans les cancers MSI génère des défauts de réplication, des problèmes de checkpoints ainsi que des cassures ADN et en particulier au niveau des SFCs. Une déficience en Topo1 induit aussi l'apparition de problèmes de réplication et une plus grande fragilité ADN, mais elle est aussi capable d'induire des cassures au niveau de certains SFCs, connus pour être sensible à des défauts de réplication. Une étude plus approfondie du SFC le plus fréquemment induit, FRA3B, montre qu'il est sensible à la fois à des défauts dans la voie ATR/CHK1, au stress réplicatif induits par l'aphidicoline mais aussi à la déficience en Topo1. Nos travaux suggèrent que l'haploinsuffisance d'ATR et CHK1 peut favoriser la cancérogenèse à travers l'induction des SFCs et que tous les SFCs n'ont pas les mêmes mécanismes d'induction, laissant la porte ouverte pour l’identification de nouveaux SFCs. / Common Fragile Sites (CFSs) are recurrent chromosomal breakpoints occurring when cells are exposed to replicative stress. Most CFSs have been identified following Aphidicolin (APC) treatment, an inhibitor of DNA polymerase and therefore the working model to explain their fragility is indeed mainly based on perturbation of replication. Among the key actors involved in fragility, ATR (Ataxia Telangiectasia and Rad3 Related), a kinase involved in stalled replication fork signaling, and its target CHK1 (Checkpoint Kinase 1), lead to enhanced chromosome fragility when transiently depleted in cells. However, ATR and CHK1 are difficult to study since their complete depletion is lethal for the cells. We have developed a colorectal cancer HCT116 MSI model harboring ATR or CHK1 haploinsufficient mutations found in MSI cancers. Transcription also seems to be involved in the induction of SFCs. To investigate this mechanism, we created topoisomerase 1 (Topo1) deficient cells with inducible shRNA. This protein is involved in interference between replication and transcription and its inhibition is associated with high chromosomal instability. Our studies indicate that ATR or CHK1 haploinsufficiency found in MSI cancers causes replication and checkpoints defects and induces DNA break particularly at CFSs. Topo1 deficiency is responsible of replication defects and DNA fragility and it induces breaks at some CFSs already known to be sensitive to replication defects. Moreover, a precise study of the most induced CFSs, FRA3B, shows that it is sensitive to defects in ATR/CHK1 pathway, to replicative stress induced by aphidicolin but also to Topo1 deficiency. Our results suggest that ATR and CHK1 haploinsufficiency can promote carcinogenesis through the induction of CFSs. Futhermore, we suggest that all CFSs do not rely on the same induction mechanisms, letting us to postulate that new CFSs are still to be identified.