Une craniosynostose est une pathologie caractérisée par la fusion prématurée d'une ou plusieurs sutures crâniennes. C'est un défaut de naissance assez fréquent (1/2500 naissances) qui résulte en une forme anormale du crâne et qui peut être accompagné d'une déficience mentale dans certains cas. Des mutations du gène TWIST1, qui encode un facteur de transcription basique Helix-Loop-Helix (bHLH) de classe II, causent le syndrome de Saethre-Chotzen qui est associé à une synostose de la suture coronale (El Ghouzzi et al. 1997; Howard et al. 1997). Un nouveau gène a récemment été découvert comme étant une nouvelle cause du syndrome Saethre-Chotzen ainsi que de synostose coronale asyndromique (Sharma, Fenwick, Brockop, et al., 2013): il s'agit du gène TCF12, qui encode un facteur de transcription bHLH de classe I.Nous démontrons qu'une reduction de l'expression génique de Twist1 et Tcf12 chez la souris cause une synostose coronale, et nous suggérons que les protéines bHLH Twist1 et Tcf12 forment des hétérodimères dont le dosage est critique pour le développement de la suture coronale.Nous nous concentrons aussi sur Twist1 et prouvons que son expression est requise dans les tissus dérivant du mésoderme ainsi que ceux dérivant des crêtes neurales pour le développement normal de la suture coronale.De plus, nous notons que dans la suture coronale, Twist1 exclut Notch2 afin de garder la suture ouverte, et beta-catenin joue un rôle dans la maintenance de l'ouverture de la suture en ciblant Jagged1 lors du développement de la suture coronale chez la souris.Enfin, nous mentionnons de nouveaux gènes qui pourraient avoir un impact sur le développement normal de la suture coronale: Aggrecan, Goosecoid, Gucy1a3 et Gucy1b3. / Craniosynostosis, the premature fusion of one or more cranial sutures, is a common birth defect (1/2500 live births) that results in abnormalities in skull shape and sometimes in neurological deficiencies (Wilkie, 1997; Wilkie and Morriss-Kay, 2001). Mutations in TWIST1, which encodes a class II basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor, cause Saethre-Chotzen syndrome, associated with coronal synostosis (El Ghouzzi et al. 1997; Howard et al. 1997). We recently discovered a new craniosynostosis gene, TCF12, which encodes a class I bHLH transcription factor. Tcf12 causes.Saethre-Chotzen syndrome and asyndromic coronal synostosis. (Sharma, Fenwick, Brockop, et al., 2013). We show that a reduction in the dosage of Twist1 and Tcf12 in mouse causes coronal synostosis, and we suggest that the Twist1 and Tcf12 form heterodimers whose dosage is critical for coronal suture development. We also demonstrate that Twist1 is required in both neural-crest and mesoderm-derived tissues for the normal coronal suture development. Moreover, we show that in the coronal suture, Twist1 excludes Notch2 thus maintaining suture patency. and we show that beta-catenin also plays a role in the maintenance of suture patency by regulating Jagged1. Finally, we identified Aggrecan, Goosecoid, Gucy1a3 and Gucy1b3 as Twist1-regulated genes that could have an impact on the normal development of the coronal suture.

Le système hématopoïétique est un tissu en constant renouvellement et les cellules souches hématopoïétiques (CSHs) sont indispensables pour soutenir la production des cellules matures du sang. Deux fonctions définissent les CSHs; la propriété d’auto-renouvellement, soit la capacité de préserver l’identité cellulaire suivant une division, et la multipotence, le potentiel de différenciation permettant de générer toutes les lignées hématopoïétiques. Chez l’adulte, la majorité des CSHs sont quiescentes et l’altération de cet état corrèle avec une diminution du potentiel de reconstitution des CSHs, suggérant que la quiescence protège les fonctions des CSHs. La quiescence est un état réversible et dynamique et les réseaux génétiques le contrôlant restent peu connus. Un nombre croissant d’évidences suggère que si à l’état d’homéostasie il y a une certaine redondance entre les gènes impliqués dans ces réseaux de contrôle, leurs rôles spécifiques sont révélés en situation de stress. La famille des bHLHs (basic helix-loop-helix) inclue différentes classes des protéines dont ceux qui sont tissu-spécifiques comme SCL, et les protéines E, comme E12/E47 et HEB. Certains bHLHs sont proposés êtres important pour la fonction des cellules souches, mais cela ne fait pas l’unanimité, car selon le contexte cellulaire, il y a redondance entre ces facteurs. La question reste donc entière, y a-t-il un rôle redondant entre les bHLHs d’une même classe pour la fonction à long-terme des CSHs? Les travaux présentés dans cette thèse visaient dans un premier temps à explorer le lien encore mal compris entre la quiescence et la fonction des CSHs en mesurant leurs facultés suite à un stress prolifératif intense et dans un deuxième temps, investiguer l’importance et la spécificité de trois gènes pour la fonction des CSHs adultes, soit Scl/Tal1, E2a/Tcf3 et Heb/Tcf12. Pour répondre à ces questions, une approche cellulaire (stress prolifératif) a été combinée avec une approche génétique (invalidation génique). Plus précisément, la résistance des CSHs au stress prolifératif a été étudiée en utilisant deux tests fonctionnels quantitatifs optimisés, soit un traitement basé sur le 5-fluorouracil, une drogue de chimiothérapie, et la transplantation sérielle en nombre limite. Dans la mesure où la fonction d’un réseau génique ne peut être révélée que par une perturbation intrinsèque, trois modèles de souris, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/- ont été utilisés. Ceci a permis de révéler que l’adaptation des CSHs au stress prolifératif et le retour à l’équilibre est strictement contrôlé par les niveaux de Scl, lesquels règlent le métabolisme cellulaire des CSHs en maintenant l’expression de gènes ribosomaux à un niveau basal. D’autre part, bien que les composantes du réseau puissent paraître redondants à l’équilibre, mes travaux montrent qu’en situation de stress prolifératif, les niveaux de Heb restreignent la prolifération excessive des CSHs en induisant la sénescence et que cette fonction ne peut pas être compensée par E2a. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse montrent que les CSHs peuvent tolérer un stress prolifératif intense ainsi que des dommages à l’ADN non-réparés, tout en maintenant leur capacité de reconstituer l’hématopoïèse à long-terme. Cela implique cependant que leur métabolisme revienne au niveau de base, soit celui trouvé à l’état d’homéostasie. Par contre, avec l’augmentation du nombre de division cellulaire les CSHs atteignent éventuellement une limite d’expansion et entrent en sénescence. / The hematopoietic system is constantly replenished by hematopoietic stem cells (HSCs) that are essential to sustain mature blood cells production. Two key functions characterize HSCs; their capabilities to self-renew, i.e. maintenance of cellular identity following cell division, and their multipotencies, i.e. their potentials to generate all hematopoietic lineages. In adults, most HSCs are quiescent and alterations to this state correlate with decreased reconstitution potential, thus suggesting that quiescence protects HSC functions. Quiescence is a reversible and dynamic state, and genetic networks controlling these characteristics are poorly described. Recent evidence suggests that during steady-state hematopoiesis, genes controlling HSC functions are highly redundant, whereas stress conditions may reveal their specific roles. Transcription factors of the basic helix-loop-helix (bHLHs) family include tissue-specific subclasses (e.g SCL) and more ubiquitous E proteins (e.g. E12/E47 and HEB). Several bHLH members have been described as important for HSC functions, however this question is still highly debated in the field due to functional redundancies. How different bHLHs from a same subclass can uniquely affect long term HSC functions is still an open question. The work presented in this thesis aimed to address the question how three bHLH transcription factors specifically Scl/Tal1, E2a/Tcf3 and Heb/Tcf12 control HSC functions after an important proliferative stress to eventually re-establish steady state conditions typified by quiescence in adult HSCs. . To this end, we used three converging approaches, at the cellular level, by imposing a proliferative stress on HSCs, a genetic approach, by deleting genes of interest and genome-wide transcriptomics. More precisely, HSC resistance to proliferative stress has been evaluated under two extreme conditions; i.e. by consecutive treatments with the chemotherapeutic drug 5-fluorouracil (5-FU), mimicking a clinical situation in cancer chemotherapy, and by serial transplantation assays with limited cell numbers. Moreover, to test if a genetic network regulates HSCs functions, we also used three mouse models, i.e. Scl+/-, E2a+/- et Heb+/-. Using these tools, we showed that HSC adaptation to proliferative stress and return to steady state is strictly regulated by Scl expression levels that restricts ribosomal gene expression. Moreover, despite some degree of redundancy within this network, Heb expression levels restrain the excessive proliferation of HSC upon stress conditions by inducing senescence, a function that cannot be compensated for by E2a. To conclude, our results show that HSCs can tolerate both proliferative stress and unrepaired DNA damages without affecting their primary function to replenish the hematopoietic system. This is especially true if their metabolism can come back to basal levels. However, with increased numbers of cell divisions, HSC will sooner or later reach their expansion limit and enter senescence.

This thesis further delineates the molecular genetic basis of a relatively common craniofacial condition, coronal craniosynostosis. It used whole-exome sequencing to identify novel disease genes in patients with non-syndromic coronal synostosis and negative genetic testing. Initially, 2 patients were identified with damaging, frameshift mutations in a gene not previously linked with craniosynostosis – Transcription Factor 12 (TCF12). A further intronic mutation was identified in a third patient. This gene encodes a transcription factor that dimerises with TWIST1, mutations of which cause Saethre-Chotzen syndrome, also associated with coronal synostosis. Screening 344 undiagnosed patients identified 35 further mutations, all with coronal synostosis with 14 cases arising de novo. This work was published and testing for TCF12-related craniosynostosis was translated clinically. Significant non-penetrance (60%) was identified in mutation-positive relatives and the genetic background was investigated. Firstly, analysis of parental origins of de novo mutations identified 6 of paternal origin and helped refine haplotype assignment. Secondly, haplotype analysis of TCF12-mutation carriers revealed modest correlation with phenotypic status, but this was insufficient to be useful in clinical testing. Thirdly, TCF12 haplotypes were analysed for association with non-syndromic coronal synostosis, but no significant association was found. Further exome sequencing revealed a de novo frameshift mutation in Transcription Factor 20 (TCF20) in a patient with coronal synostosis and autism, although the mutation only correlated with the latter phenotype. Analysis of 5 trios revealed a novel variant in myosin heavy chain 4 (MYH4) in 1 family, although its role in suture development is uncertain. Reviewing pooled exome data from 19 mutation-negative patients revealed no further disease genes. In summary, this thesis describes novel gene discovery, defines a new clinical entity and investigates genetic background of penetrant and non-penetrant individuals. Further exome sequencing identified another disease gene, a de novo mutation and compiled lists of damaging variants to allow future work.