La présence de domaines chromosomiques heterochromatiniens associé à des effets de position est une propriété communes à de nombreux génomes eukaryotes. L'intensité et l'étendue de la variégation liée aux effets de position sont généralement sensibles à la dose des protéines effectrices de l'hétérochromatine. Les propriétés d'auto-propagation des complexes d'hétérochromatine a un cout, qui est la nécessité d'établir des mécanismes stoppant la propagation de la répression transcriptionelle. Cette thèse explore la dose-dépendance de l'effet de position télomérique en étudiant le complexe SIR de la levure du boulanger. La caractérisation du groupement des télomères en foyers, de la localisation de Sir3 et de la transcription dans des souches sur-exprimant Sir3 a permis d'établir l'étendue maximale des domaines silencieux présent aux subtelomeres. L'étude de jeux de données publiés a révélé que ces domaines terminent généralement au niveau de zones correspondant où les propriétés de la chromatine montrent une transition importante. Ces transitions chromatiniennes sont requises pour survivre en présence d'un excès de protéines Sir3 puisque nous avons démontré que les mutants dot1 ne survivent pas un tel excès. En outre nous avons conduit un crible génétique qui a révélé de nombreux gènes requis pour la survie en présence d'une surdose de Sir3. Ce travail caractérise la réponse du génome à une surdose d'hétérochromatine et a permis de révéler des domaines subtélomeriques associés à des propriétés chromatiniennes particulières. En conséquence nous démontrons comment l'effet de position télomerique est efficacement restreint au subtelomere chez la levure. / A shared property of several eukaryotic genomes is the presence of heterochromatic chromosomal domains experiencing transcriptional variegation. The intensity and the extent of position effect variegation are sensitive to the dosage of silencing effectors in many systems. The self-propagating properties of heterochromatin machineries come with a cost, which is the requirement for mechanisms preventing ectopic spreading of silencing. This thesis explores the dose-dependency of telomere position effect, using the budding yeast SIR system as a model for chromatin based heterochromatic silencing. To assess the dose-dependency of telomere position effect in budding yeast, we systematically characterized the impact of Sir3 overexpression by quantifying the clustering of telomeres, the genome wide binding of Sir3 and its impact on coding and non coding transcription. Analysis of published data sets enabled to uncover candidates potentially responsible for the limitation of subtelomeric silent domains. Our study reveals that extension of silent domains can reach saturation, associated with the anti-silencing properties of histone marks deposited by the conserved enzyme Dot1. In addition we discovered genes required for viability upon SIR3 overexpression by conducting a genetic screen. Our work describes the dynamics of the dose dependency of heterochromatin propagation in budding yeast. It uncovers previously uncharacterized discrete chromosomal domains associated with specific chromatin features and demonstrates how telomere position effect is efficiently restricted to subtelomeres by the preexisting chromatin landscape.

Le raccourcissement télomérique est la source majeure de l'instabilité chromosomique (CIN) au cours de la progression tumorale. Nous avons montré que les cellules humaines embryonnaires de rein (cellules HEK) ayant traversé une période de CIN subissent des vastes changements dans l'expression des microARNs, ce qui induit une transition épithélio-mésenchymateuse (TEM), un processus permettant aux cellules cancéreuses épithéliales migrer et envahir de nouveaux tissus et former des métastases. Notre travail a aussi suggéré que les cellules ayant subi une TEM étaient capables de former des tumeurs dans un microenvironnement sénescent. De surcroît, cette évolution dans la capacité tumorale était associée à une dérégulation supplémentaire des microARNs et à l'acquisition des propriétés des cellules souches. Afin d'étudier comment ce potentiel est mis en place au cours de l'instabilité chromosomique et au contact avec le microenvironnement sénescent, nous avons modulé les niveaux d'expression de miR-145 et avons démontré que la répression de miR-145 était nécessaire pour le développement des caractéristiques des cellules souches. Afin de mieux comprendre l'impact de CIN sur le programme génétique des cellules épithéliales, nous avons utilisé des approches de haut débit et avons caractérisé les changements des paysages chromatiniens et leur mise en place dans les cellules ayant traversé une période de CIN. Nos résultats révèlent pour la première fois que l'instabilité télomérique modifie profondément la distribution des marques d'histones en conduisant aux changements d'expression des gènes et au processus de transformation des cellules épithéliales pré-tumorales. / Telomere shortening is a major source of chromosome instability (CIN) at early stages during carcinogenesis. However, the mechanisms through which telomere-driven CIN (T-CIN) contributes to the acquisition of tumor phenotypes remain uncharacterized. We have shown that human epithelial kidney (HEK) cells undergo massive microRNA deregulation upon CIN, in particular a miR-200-dependent epithelial-mesenchymal transition (EMT), which is thought to enable epithelial cancer cells to migrate and invade other tissues to form metastases. Our work also indicated that CIN+ cells that underwent EMT were able to form tumors in a senescent microenvironment. Notably, this progression in tumor capacity was associated with further microRNA deregulation and the manifestation of enhanced stem-like properties. To investigate how stem-like properties are acquired in CIN+ cells in the contact with senescent microenvironment we adapted knockdown and overexpression approaches to modulate miR-145 expression, and demonstrated that enhanced stem-like properties depended on miR-145 repression. To fully apprehend the impact of CIN on the genetic program of epithelial cells, we used an unbiased approach to characterize the chromatin state of HEK CIN+ cells and uncover genome wide redistributions that were in direct correlation with gene expression changes. Our results reveal for the first time that T-CIN profoundly modifies the chromatin landscape genome-wide thereby fueling the transformation process of pre-tumor epithelial cells.

Dans cette thèse, nous proposons une analyse probabiliste de deux problèmes de biologie moléculaire dans lesquels la stochasticité joue un rôle essentiel : la polymérisation des protéines dans les maladies neurodégénératives ainsi que le raccourcissement des télomères. L’agrégation des protéines en fibrilles amyloïdes est un important phénomène biologique associé à plusieurs maladies humaines telles que les maladies d’Alzheimer, de Huntington ou de Parkinson, ou encore l’amylose ou bien le diabète de type 2. Comme observé au cours des expériences reproduisant les petits volumes des cellules, les courbes d’évolution cinétique de l’agrégation des protéines présentent une phase de croissance exponentielle précédée d’une phase de latence extrêmement fluctuante, liée au temps de nucléation. Après une introduction au problème de polymérisation des protéines dans le chapitre I, nous étudions dans le chapitre II les origines et les propriétés de la variabilité de ladite phase de latence ; pour ce faire, nous proposons un modèle stochastique minimal qui permet de décrire les caractéristiques principales des courbes expérimentales d’agrégation de protéines. On considère alors deux composants chimiques : les monomères et les monomères polymérisés. Au départ, seuls sont présents les monomères ; par suite, ils peuvent polymériser de deux manières différentes : soit deux monomères se rencontrent et for- ment deux monomères polymérisés, soit un monomère se polymérise à la suite d’une collision avec un autre monomère déjà polymérisé. Malgré son efficacité, la simplicité des hypothèses de ce modèle ne lui permet pas de rendre compte de la variabilité observée au cours des expériences. C’est pourquoi dans un second temps, au cours du chapitre III, nous complexifions ce modèle afin de prendre en compte d’autres mécanismes impliqués dans la polymérisation et qui sont susceptibles d’augmenter la variabilité du temps de nucléation. Lors de ces deux chapitres, des résultats asymptotiques incluant diverses échelles de temps sont obtenus pour les processus de Markov correspondants. Une approximation au premier et au second ordre du temps de nucléation sont obtenus à partir de ces théorèmes limites. Ces résultats re- posent sur une renormalisation en temps et en espace du modèle de population, ainsi que sur un principe d’homogénéisation stochastique lié à une version modifiée d’urne d’Ehrenfest. Dans une seconde partie, un modèle stochastique décrivant le raccourcissement des télomères est pro- posé. Les chromosomes des cellules eucaryotes sont raccourcis à chaque mitose à cause des mécanismes de réplication de l’ADN incapables de répliquer les extrémités du chromosome parental. Afin d’éviter une perte de l’information génétique, ces chromosomes possèdent à chaque extrémité des télomères qui n’encodent pas d’information génétique. Au fil des cycles de réplication, ces télomères sont raccourcis jusqu’à rendre la division cellulaire impossible : la cellule entre alors en sénescence réplicative. L’objectif de ce modèle est de remonter aux caractéristiques de la distribution initiale de la taille des télomères à partir de mesures de temps de sénescence. / This PhD dissertation proposes a stochastic analysis of two questions of molecular biology in which randomness is a key feature of the processes involved: protein polymerisation in neurodegenerative diseases on the one hand, and telomere shortening on the other hand. Self-assembly of proteins into amyloid aggregates is an important biological phenomenon associated with human diseases such as prion diseases, Alzheimer’s, Huntington’s and Parkinson’s disease, amyloidosis and type-2 diabetes. The kinetics of amyloid assembly show an exponential growth phase preceded by a lag phase, variable in duration, as seen in bulk experiments and experiments that mimic the small volume of the concerned cells. After an introduction to protein polymerisation in chapter I, we investigate in chapter II the origins and the properties of the observed variability in the lag phase of amyloid assembly. This variability is currently not accounted for by deterministic nucleation-dependent mechanisms. In order to tackle this issue, a stochastic minimal model is proposed, simple, but capable of describing the characteristics of amyloid growth curves. Two populations of chemical components are considered in this model: monomers and polymerised monomers. Initially, there are only monomers and from then, two possible ways of polymerising a monomer: either two monomers collide to combine into two polymerised monomers, or a monomer is polymerised by the encounter of an already polymerised monomer. However efficient, this simple model does not fully explain the variability observed in the experiments, and in chapter III, we extend it in order to take into account other relevant mechanisms of the polymerisation process that may have an impact on fluctuations. In both chapters, asymptotic results involving different time scales are obtained for the corresponding Markov processes. First and second order results for the starting instant of nucleation are derived from these limit theorems. These results rely on a scaling analysis of a population model and the proof of a stochastic averaging principle for a model related to an Ehrenfest urn model. In the second part, a stochastic model for telomere shortening is proposed. In eukaryotic cells, chromosomes are shortened with each occurring mitosis, because the DNA polymerases are unable to replicate the chromosome down to the very end. To prevent potentially catastrophic loss of genetic information, these chromosomes are equipped with telomeres at both ends (repeated sequences that contain no genetic information). After many rounds of replication however, the telomeres are progressively nibbled to the point where the cell cannot divide anymore, a blocked state called replicative senescence. The aim of this model is to trace back to the initial distribution of telomeres from measurements of the time of senescence.

L'organisation tridimensionnelle du génome émerge comme un mécanisme de contrôle important dans la fonction génomique. Les études chez S. cerevisiae ont largement contribué à démontrer l'importance fonctionnelle de l'organisation nucléaire. Pendant la fermentation, les 16 chromosomes d'un noyau haploïde de S. cerevisiae sont organisées avec centromères liés à la SPB et télomères regroupés en 3-4 foyers localisés à la périphérie nucléaire. Cet organisation permet la concentration de protéines silencieuse (SIRS) et semble importants pour les fonctions du génome. Le but de mon travail de doctorat était d'étudier la chromatine télomérique silencieuse dans different transitions métaboliques.Nous avons constaté que le génome de cellules quiescente subit une réorganisation spatiale majeure suite à la source de carbone épuisement. Cette modification de l'architecture nucléaire est entraîné par le regroupement des télomères en un foyer unique (hypercluster) localisée au centre du noyau. Nous montrons également que cette réorganisation est un événement programmé déclenché par les espèces réactives de oxigen (ROS) produits lors de la respiration. Enfin, nous déclarons que l'excès d'activité Sir2 contrecarre le regroupement des télomères lors de la quiescence et a un rôle négatif sur la durée de vie en quiescence. Notre travail suggère que la réorganisation drastique du génome en ‘hypercluster’ de télomères favorise la survie lors de quiescence, et dénoue un lien entre le métabolisme, l'organisation nucléaire et le vieillissement. / The tri-dimensional organization of the genome emerges as an important, still poorly understood, control mechanism in genomic function. Studies in S. cerevisiae have broadly contributed to demonstrate the functional importance of nuclear organization. Upon logaritmic growth, the 16 chromosomes of a S. cerevisiae haploid nucleus are organized into the Rabl conformation, with centromeres bound at the SPB and telomeres grouped in 3-4 foci localized at the nuclear periphery. Telomere clusters allow the concentration of silencing proteins (SIRs) and appear important for genome functions. The aim of my doctorate work was to study telomeric silent chromatin upon major metabolic transitions. We found that the genome of long-lived quiescent cells undergoes a major spatial re-organization following carbon source exhaustion. This change in nuclear architecture is driven by the grouping of telomeres into a unique focus (hypercluster) localized in the center of the nucleus. We also show that this reorganization is a programmed event triggered by reactive oxigen species (ROS) produced upon early respiration and involves the DNA damage checkpoint pathway. Finally, we report that excess of Sir2 activity counteracts telomere clustering upon quiescence and has a negative role on chronological life span. Our work suggests that the drastic genome reorganization due to telomere grouping favors survival upon quiescence, and unravels a novel connection between metabolism, nuclear organization and aging.

La protéine télomérique TRF2 permet de protéger les télomères notamment en régulant leur taille. Dans des cellules humaines, la surexpression de la protéine mutante TRF2ΔB, dont le domaine basique est absent, induit un raccourcissement soudain des télomères. In vitro, ce domaine basique protège des structures d’ADN particulières, appelées Jonctions de Holliday (JH), de la résolution par des endonucléases. Ces JH peuvent être présentes aux télomères d’une part au niveau de la boucle télomérique, une conformation de l’ADN qui ressemble à une structure intermédiaire de la recombinaison homologue (RH), et d’autre part au niveau des fourches de réplication bloquées, fréquentes aux télomères. Nous pensons que le raccourcissement soudain des télomères implique la résolution de JH au cours d’un événement de recombinaison homologue qui doit être étroitement régulé afin d’éviter qu’il ne se réalise de façon inappropriée. Dans le but de mieux caractériser cet événement, j’ai montré que différentes endonucléases capables de résoudre des JH (GEN1, MUS81, SLX1-SLX4) sont impliquées dans le raccourcissement des télomères induit par la surexpression de la protéine TRF2ΔB. Puis j’ai étudié le rôle de la protéine hRAP1 dans la régulation de ce mécanisme et l’implication des protéines de la RH. L’ensemble des résultats obtenus nous ont permis de proposer un nouveau rôle de la protéine TRF2 dans la régulation des événements de recombinaison homologue au cours de la réplication des télomères. / The stability of mammalian telomeres depends upon TRF2 which prevents inappropriate repair and checkpoint activation. In human cells, overexpressing a TRF2 mutant lacking the N-terminal basic domain, TRF2ΔB, induces sudden telomere shortening. In vitro, the basic domain protects particular DNA structures, called Holliday junctions (HJ), of the resolution by endonucleases. These HJ may be present at telomeres in one hand at the t-loop, a DNA conformation looking like a structural intermediate of homologous recombination (HR), and also at the level of stalled replication forks, frequent at telomeres. We believe that the sudden shortening of telomeres involves the resolution of HJ during a HR event that would be tightly regulated to prevent it occurs inappropriately. In order to better characterize this event, I have shown that different proteins harbouring resolving activities (GEN1, MUS81, SLX1-SLX4) are involved in telomere shortening induced by overexpression of TRF2ΔB. Then, I studied the role of hRAP1 in the regulation of this mechanism and involvement of HR proteins. The overall results allowed us to propose a new role of TRF2 in the regulation of HR events during the replication of telomeres.

Rtel1 est une hélicase qui a été identifiée comme un facteur essentiel pour maintenir les télomères longs et le génome stable chez la souris. Chez l'homme, des mutations germinales dans RTEL1 ont été trouvées chez les patients atteints du syndrome de Hoyeraal-Hreidarsson (HHS), une forme grave de la dyskératose congénitale. Cependant, le mécanisme selon lequel cette protéine agit dans les cellules humaines reste en grande partie inconnu. Pour étudier la fonction de RTEL1 sur le métabolisme des télomères nous avons réduit l'expression de RTEL1 par ARN interférent dans plusieurs lignées de cellules humaines et analysé la longueur des télomères par quantitative-FISH. Nos résultats montrent que la dérégulation de RTEL1 induit un raccourcissement des télomères uniquement dans les cellules avec de très longs télomères et surexprimant la télomérase. Nous démontrons également que l'absence de RTEL1 provoque une altération du complexe de shelterin au télomères: l'augmentation des niveaux de TRF2 et la diminution de POT1. La surexpression de la portion OB fold de POT1 peut restaurer le raccourcissement des télomères causé par le knockdown de RTEL1. Ceci indique que RTEL1 peut jouer un rôle important dans la stabilité du 3' sortant et l'accessibilité de la télomérase. Nous constatons également un impact de RTEL1 sur le métabolisme de l'ARN non codant télomérique TERRA. En effet, la diminution de RTEL1 réduit la quantité totale de TERRA présente dans le noyau et en particulier de TERRA associé aux télomères. Nous constatons que ce nombre réduit de TERRA est causé par sa dégradation, donc nous proposons que RTEL1 a un rôle dans la stabilisation de TERRA aux télomères. / Rtel1, regulator of telomere elongation helicase 1, was discovered as an essential factor for telomere length maintenance and genomic stability in mice. In humans, germline mutations in RTEL1 have been found in patients with Hoyeraal-Hreidarsson syndrome (HHS), a severe form of dyskeratosis congenita. However, the precise mechanism of action of the protein in human cells remains largely unknown. To investigate the function of RTEL1 in human telomere metabolism we used a knockdown approach by specific siRNAs and quantitative-FISH to measure telomere length after depletion of RTEL1 in different cancer cell lines. Our results show that down-regulation of RTEL1 induces shortening of telomeres only in cells with very long telomeres and high telomerase activity. We also demonstrate that upon depletion of RTEL1 there is a different stochiometry of shelterin proteins at telomeres: increased levels of TRF2 and decreased levels of POT1. Importantly, the overexpression of the POT1 OB fold can rescue the shortening of telomeres caused by the knockdown of RTEL1 indicating that RTEL1 may play an important role in the stability of the overhang and in its accessibility to telomerase. We also find an affect of RTEL1 on Telomeric non-coding RNA (TERRA) metabolism. Indeed, depletion of RTEL1 in human cell lines reduces the total amount of TERRA present in the nucleus and in particular of telomere-associated TERRA. Moreover, we find that this reduced number of UUAGGG repeats is caused by TERRA degradation, therefore we propose that RTEL1 has a role in stabilizing TERRA at telomeres.

Les télomères sont des structures nucléoprotéiques protégeant l’extrémité des chromosomes de la dégradation et assurant la réplication de l’ADN terminal. En effet, de nombreuses protéines de réplication sont impliquées dans le maintien de ces structures, comme le complexe RPA (Replication Protein A). Ce complexe très conservé chez les eucaryotes se fixe à l’ADN simple brin et est impliqué dans la réplication, les mécanismes de recombinaison et la réparation de l’ADN. Chez S.pombe, la mutation ponctuelle de la sous-unité RPA1 (Rpa1-D223Y) provoque le raccourcissement des télomères. Dans cette étude, nous montrons que cette mutation provoque l’accumulation de structures aberrantes de haut poids moléculaire aux télomères corrélant avec une présence persistante de Polα aux télomères suggérant une accumulation de structures sur le brin riche en G. Nous avons pu mettre en évidence que la surexpression d’hélicases de la famille Pif1 incluant S.cerevisiae Pif1 et PIF1 humain ainsi que Pfh1 (S.pombe) sont capable de restaurer une longueur de télomères sauvage dans mutant rpa1-D223Y. Ces résultats suggèrent que RPA pourrait empêcher l’accumulation de G4 au niveau du brin retardé télomérique afin de faciliter l’élongation des télomères par la télomérase. De plus, des expériences in vitro ont montré que la mutation correspondante de RPA1 humain réduisait spécifiquement l’affinité de RPA pour le simple brin télomérique humain dans les conditions ou il forme des G4.Enfin l’étude de la stabilité de séquences répétées formant des G4 (minisatellite CEB25), chez S.pombe, a permis de renforcer l’hypothèse selon laquelle RPA pourrait empêcher la formation ou aiderait à la résolution de G4. / Telomeres are nucleoprotein structures that protect chromosome ends from degradation and ensure replication of the terminal DNA. In fact, many of replication proteins are involved in telomere maintenance, like RPA (Replication Protein A). RPA is a highly conserved heterotrimeric single-stranded DNA-binding protein involved in DNA replication, recombination and repair. In S. pombe a mutation in the largest RPA subunit (Rpa1-D223Y) leads to substantial telomere shortening. In this study, we found that the D223Y mutation leads to the accumulation of aberrant secondary structures at telomeres. The presence of these secondary DNA structures correlates with a high association of Polα with telomeres suggesting that this mutation impairs lagging strand (G-rich) telomere replication. Strikingly, heterologous expression of the budding yeast Pif1 known to efficiently unwind G-quadruplex, human PIF1 and Phf1 (homolog of Pif1 in S.pombe) rescue the telomeric length defects of the D223Y cells. Furthermore, in vitro data show that the identical D to Y mutation in human RPA specifically affects its ability to bind G-quadruplex. We propose that RPA prevents the formation of G-quadruplex structures at lagging strand telomeres to facilitate telomerase action at telomeres. Furthermore, the study, in S.pombe, of the stability of G-rich repeat sequences (minisatellite CEB25) as known to form G4 enforce the hypothesis that RPA can prevents the formation of G4 or helps to solve this structure.

Les télomères sont des structures spécifiques nucléoprotéiques localisées aux extrémités des chromosomes. Ils protègent les chromosomes contre la dégradation, les recombinaisons et les fusions et permettent qu’ils ne soient pas reconnus comme des cassures à l’ADN. Ils sont composés d'ADN télomérique, constitué de répétitions de la séquence TTAGGG, qui se prolonge par une extrémité 3’ simple brin, et de six protéines télomériques dont la protéine TRF2 qui sont indispensables au maintien de l’intégrité des télomères. Le brin riche en guanines est capable, en présence de cations monovalents, de se replier sur lui- même en une structure à quatre brins, la structure G-quadruplexe. Sa stabilisation par des ligands est une stratégie anti-tumorale car elle provoque des perturbations télomériques conduisant à la mort des cellules cancéreuses. Comme les télomères sont des séquences riches en guanines, ils peuvent aussi constituer une cible potentielle des complexes de platine. Notre objectif consiste à augmenter le ciblage des télomères en associant au sein de la même molécule, un ligand de structure G-quadruplexes qui reconnaitrait ces structures avec un atome de platine qui les bloquerait ensuite irréversiblement. La tolyl-terpyridine-Pt(II), (Pt-ttpy) a été conçue dans ce but. Elle stabilise et se fixe irréversiblement sur les structures G-quadruplexe in vitro. Nous avons analysé les perturbations télomériques induites par ce ligand de G-quadruplexes (Pt-ttpy) en comparaison avec des complexes qui ne stabilisent pas ces structures (terpyridine-Pt(II) ou Pt-tpy, et le cis-platine drogue anti-tumorale utilisée en chimiothérapie) et quantifié le nombre de complexes fixés au niveau des télomères. Nous avons travaillé sur deux lignées cancéreuses d’ovaire sensibles et résistantes au cis-platine (A2780 A2780-cis) et une lignée non-cancéreuse BJ-hTERT. Les complexes Pt-ttpy et Pt-tpy inhibent la prolifération cellulaire des cellules cancéreuses à des doses de l’ordre du µM et ne montrent aucune résistance croisée avec le cis-platine. Nos résultats obtenus par ChIP et immunofluorescence montrent sans ambiguïté que Pt-ttpy délocalise 50% de protéine TRF2 des télomères uniquement des cellules cancéreuses et augmente les dommages au niveau de l’ADN télomérique par rapport aux complexes qui ne sont pas des ligands de G-quadruplexes, sans pour autant induire un raccourcissement des télomères. Donc l’association d’un ligand de G-quadruplexes avec un atome de platine au sein d’une même molécule permet de cibler préférentiellement les télomères des cellules cancéreuses par rapport au complexe de platine seul. Cependant, les perturbations télomériques induites par Pt-ttpy n’ont pas été augmentées par rapport aux meilleurs ligands de G-quadruplexes connus. De façon intéressante, et pour la première fois dans la littérature, nous avons montré que nos deux complexes Pt-ttpy, Pt-tpy ciblent directement les télomères des cellules cancéreuses puisqu’ils s’y fixent. Ils augmentent la préférence de fixation à l’ADN télomérique/l’ADN génomique d’un facteur 15 par rapport au cis-platine. Cette préférence de fixation semble indépendante de la reconnaissance de structures G-quadruplexes mais semble plutôt dépendre de la nature des complexes de platine. D’autre part, à cause de la faible quantité de complexes retrouvée au niveau des télomères, leur fixation aux télomères ne peut être responsable, à elle seule, la délocalisation de TRF2, suggérant que le déplacement de TRF2 des télomères n’est pas dû un empêchement physique mais plutôt à une réponse biologique. Ainsi, nos travaux montrent que les molécules hybrides ligands de structure G-quadruplexes-Pt(II) sont une stratégie intéressante pour ciblage des télomères des cellules cancéreuses. Ceci ouvre la voie au développement de nouveaux complexes dont le facteur de préférence pour l’ADN télomérique et également la quantité de complexe fixée au niveau de l’ADN télomérique seraient augmentés par rapport à Pt-ttpy / Telomeres are specialized nucleoprotein complexes located at the end of chromosomes. They protect chromosomes from degradation, recombination and telomeric fusions and avoid them to be recognized as DNA breaks. They are composed of telomeric DNA consisting of repetitions of the sequence TTAGGG, which is extended by a 3 'single-stranded DNA, and of six telomeric proteins which TRF2 protein, that are essential to the maintenance of the integrity of telomeres. The guanine-rich strand is able to fold, in the presence of monovalent cations, in a four stranded structure, the G-quadruplexes. The stabilization of these structures is a promising anticancer strategy because it induces telomeric perturbations leading to cancer cell death. As telomeres are rich in guanines, they are potential targets for platinum complexes. Our aim is to increase the targeting of telomeres by associating within the same molecule, a ligand of G-quadruplex which stabilizes these structures with a platinum atom which then, will irreversibly block these structures. The tolyl-terpyridin-Pt(II) (Pt-ttpy) has been designed in this aim. It stabilizes and binds irreversibly to the G-quadruplex structures in vitro. We anlysed the telomeric perturbations induced by this G-quadruplex ligand (Pt-ttpy) in comparison with complexes which do not stabilize these structures (terpyridin-Pt(II) or Pt-tpy and cisplatin, an anti-tumor widely drug used in chemotherapy) and quantified the number of complexes bound to telomeres. We used two ovarian cancer cells lines, sensitive and resistant to cisplatin (A2780 and A2780-cis), and a non-cancer cell line (BJ-hTERT). Pt-ttpy and Pt-tpy inhibit cancer cell proliferation in doses at the µM range and show no cross-resistance with cisplatin. Our results, obtained by ChIP and immunofluorescence experiments, show that Pt-ttpy delocalize 50% of protein TRF2 from telomeres of cancer cells and increases the damage to telomeric DNA compared to the complexes that are not ligands of G quadruplexes, without inducing telomere shortening. Therefore, the association of a G-quadruplex ligand to a platinum atom within the same molecule allows to preferentially targeting telomeres of cancer cells compared to the platinum complex alone. However, telomeric perturbations induced by Pt-ttpy were not increased compared to the best known G-quadruplex ligands. Interestingly, and for the first time in the literature, we have shown that Pt-ttpy, Pt-tpy complexes directly target cancer cells since they bind irreversibly to them. They increase the preference of binding to telomeric DNA versus genomic DNA by a factor of 15 compared to cisplatin. This preference seems independent of the recognition of G-quadruplex structures but seems to depend on the nature of platinum complexes. On the other hand, because of the small amount of complexes bound to telomeres, their binding to telomeres cannot be at the origin, alone, of the delocalization of TRF2 from telomeres, suggesting that delocalization of telomeric TRF2 is not due to a physical impediment but rather to a biological response. Our work shows that the hybrid molecules G-quadruplex ligands-Pt (II) are an interesting strategy for targeting telomere of cancer cells. Therefore, it will be interesting to develop new complexes which would increase the preference for telomeric DNA and also the amount of platinum bound to telomeric DNA compared to Pt-ttpy

Les télomères garantissent la stabilité des extrémités chromosomiques. Une défaillance de protection entraine l’apparition de chromosomes dicentriques (c-à-d. possédant deux centromères) instables en mitose. La présence de chromosomes dicentriques est donc une source de mutagénèse et une menace pour la viabilité des cellules. Chez Saccharomyces cerevisiae, les dicentriques issus d’une fusion de télomères cassent préférentiellement à la fusion. Ce processus inexpliqué permet la régénération d’un caryotype normal et protège les chromosomes des conséquences néfastes d’une fusion accidentelle de leurs extrémités. Ce manuscrit explore les mécanismes moléculaires de cette voie de secours. La haute affinité de Rap1, pour ses sites consensus en tandem ou pour des séquences télomériques est suffisantes pour former un point chaud de cassure des chromosomes dicentriques. Une protéine hétérologue ayant aussi une haute affinité fixation pour sa séquence mime la présence de fusions de télomères, montrant que la forte affinité d’une protéine pour ses sites en tandem suffit à créer un point chaud. En l’absence de séquence télomérique interne, les chromosomes dicentriques cassent plutôt aux régions péricentromériques. Ces positions de cassure dépendent d’une force générée par les Condensines capable de relocaliser rapidement les centromères des chromosomes dicentriques au site de cytodiérèse avant leur cassure. De plus, le repliement des chromosomes dicentriques dépendant des Condensines est également nécessaire à une cassure préférentielle aux séquences fixant Rap1. En anaphase, ces séquences forment aussi un isolateur capable de séparer deux domaines chromosomiques. Ainsi, les télomères fusionnés sont secourus par un mécanisme qui favorise une capture des fusions et des régions péricentromériques par le septum dépendant de la conformation des chromosomes dirigées par les Condensines et par Rap1, Ces résultats suggèrent que les séquences télomériques fixant Rap1 bloquent l’extrusion de boucles par Condensine. De plus ce travail propose un nouvel outil pour l’étude de la condensation in vivo. Il montre également que la cassure des chromosomes dicentriques survient pendant la septation et que cytodiérèse n’est pas ralentie par la présence d’un pont de chromatine. / Telomeres ensure chromosome end stability. Failure to do so would lead to chromosome end fusions and the formation dicentric chromosomes (i.e. chromosomes with two centromeres) that are unstable in mitosis. Dicentrics are a threat to cell viability and a source of extensive mutagenesis. In Saccharomyces cerevisiae, dicentrics formed by telomere fusion preferentially break at the fusion. This unexplained process allows the recovery of a normal karyotype and protects the genome from the detrimental consequences of accidental telomere fusions. Here, I address the molecular basis of this rescue pathway. Simple tandem arrays tightly bound by the telomere factor Rap1 or a heterologous high-affinity DNA binding factor are sufficient to establish breakage hotspots, mimicking telomere fusions within dicentrics. I also adress the mechanism allowing breakage at pericentromeric regions when dicentric do not bear telomeric sequences. During anaphase, Condensins generate forces sufficient to rapidly relocalize the centromeres to the bud neck and refold dicentrics prior their breakage by cytokinesis. This relocalisation is essential for breakage at pericentromeres. Moreover Condensin-dependent refolding is essential to the preferential breakage at telomere fusions, more generally at Rap1-bound arrays and which delimit insulated chromosomal domains. Thus, the rescue of fused telomeres results from a Condensin- and Rap1-driven chromosome conformation that favours fusion entrapment where the septum closes. These results suggest that Rap1-bound telomere sequences stall loop-extrusion by Condensins. In addition, this work provides a new and direct way to monitor Condensin activity on chromatin in live cells. It also shows that dicentric chromosomes are broken during septation and that cytokinesis is not delayed by chromatin bridges.

Les télomères sont des structures nucléoprotéiques localisées aux extrémités des chromosomes. Ils jouent un rôle important dans le maintien de l’information génétique, la stabilité et la protection des extrémités chromosomiques. Les télomères sont composés de séquences d’ADN répétées riches en guanines (TTAGGG) et des protéines télomériques qui les protègent. Parmi celles-ci, TRF1 et TRF2 se fixent directement sur le double brin. Toute modification de la structure des télomères (composition en protéines télomériques, raccourcissement de leur longueur, dommages) peut entrainer la mort des cellules cancéreuses. Ainsi les télomères sont considérés comme des cibles thérapeutiques. Etant riches en guanines adjacentes, les télomères sont donc des cibles potentielles du cis-platine, agent pharmacologique utilisé dans le traitement d’un certain nombre de tumeurs. Nous avons analysé, sur deux lignées de cancer d’ovaire A2780 sensibles et résistantes au cis- platine, les modifications éventuelles de la structure de leurs télomères après traitement par le cis-platine et quantifié le cis-platine fixé au niveau des télomères afin de déterminer s’il pourrait être l’origine de ces perturbations. Suite au traitement par le cis-platine, une délocalisation de TRF2 des télomères (maximum 55%) a été mise en évidence dans les deux lignées, accompagnée de dommages au niveau des télomères (2-3 dommages/cellule) mais elle est cependant insuffisante pour induire leur raccourcissement. Ensuite, la quantification par ICP-MS du cis-platine fixé au niveau de l’ADN télomérique purifié montre que le cis-platine se fixe bien au niveau des télomères. Cependant cette quantité fixée est 5 fois moins importante que celle trouvée au niveau de l’ADN génomique et 12 fois moins importante que celle attendue d’après les études in vitro, suggérant que les guanines de l’ADN télomérique sont moins accessibles que celles de l’ADN génomique. D’autre part, la quantité de cis-platine fixé par base est trop faible pour expliquer le déplacement de TRF2. Ces résultats suggèrent que la fixation du cis-platine au niveau des télomères ne peut donc pas être le mécanisme majoritaire responsable du déplacement de TRF2 des télomères et de la mort des cellules. Ce travail ouvre ainsi la voie à la conception de nouveaux complexes anti-tumoraux de platine qui cibleraient plus spécifiquement les télomères des cellules cancéreuses afin de les déstructurer plus efficacement. / Telomeres are nucleoprotein structures located at the ends of chromosomes. They play an important role in the maintenance of the genetic information, the stability and protection of chromosome’s ends. Telomeres consist of repeated DNA sequences G-rich (TTAGGG)n, and telomeric proteins that protect them. Among them, TRF1 and TRF2 bind directly to double-stranded. Any change in the structure of telomeres (telomeric protein composition, shortening their length, damage) can cause the death of cancer cells. Thus telomeres are considered as therapeutic targets. Since they are rich in adjacent guanines, telomeres are therefore potential targets for cis-platin, a pharmacological agent used in the treatment of a certain number of tumours. We looked for, at the cellular level, using two lines of ovarian cancer A2780: sensitive and resistant to cis-platin any changes in the structure of their telomeres after cis-platin treatment. And we checked the amount of cis-platin bound to telomeres to determine if it could be the cause of these perturbations. Following treatment with cis-platin, a delocalisation of TRF2 from telomere (maximum 55%) was observed within both cell lines, with damages at telomeres (2-3 damages / cell). But it is still not enough to induce their shortening. Then, the quantification by ICP-MS of the cis-platin fixed at purified telomeric DNA, shows that cis-platin binds well at telomeres. However, this amount is 5 times less than that the one found at genomic DNA and 12 times less than the one expected from in vitro studies, suggesting that the guanines of the telomeric DNA are less accessible than those of the genomic DNA. On the other hand, the amount of cis-platin bound by base is too small to explain the displacement of TRF2. So, these results suggest that the binding of cis-platin at telomeres cannot be the principal mechanism responsible of cell death, and that the displacement of TRF2 from telomere is not related directly to this phenomenon. Thus, this work opens the way for the design of new anti-tumour platinum complexes that target telomeres of cancer cells more specifically, in order to induce more efficiently their dysfunction.