Nous avons dans cette thèse cherché à définir un formalisme simple pour pouvoir modéliser des systèmes où se combinent des phénomènes non-déterministes et des comportements aléatoires. Nous avons choisi d'étendre le formalisme de la réécriture pour lui permettre d'exprimer des phénomènes probabilistes, puis nous avons étudié la terminaison en temps moyen fini de ce modèle. Nous avons également présenté une notion de stratégie pour contrôler l'application des règles de réécriture probabilistes et nous présentons des critères généraux permettant d'identifier des classes de stratégies sous lesquelles les systèmes de réécriture probabilistes terminent en temps moyen fini. Afin de mettre en valeur notre formalisme et les méthodes de preuve de terminaison en temps moyen fini, nous avons modélisé un réseau de stations WIFI et nous montrons que toutes les stations parviennent à émettre leurs messages dans un temps moyen fini.

Divers agents environnementaux peuvent causer des dommages à l’ADN qui, si non réparés, peuvent mener à des mutations et éventuellement le cancer. Des mécanismes de réparation sont donc nécessaires afin de maintenir l’intégrité du génome. Un de ces mécanismes est la réparation par excision de nucléotides (NER) qui va réparer des dommages qui causent une distorsion dans l’hélice d’ADN comme ceux formés par les rayons UV. La NER se divise en deux sous-voies : la réparation global du génome (GGNER), responsable de réparer l’ADN transcriptionnelement inactif ainsi que le brin nontranscrit de gènes actifs, et la réparation couplée à la transcription(TC-NER), responsable de réparer le brin transcrit de gènes actifs. La TC-NER ne diffère de la GG-NER que par la méthode de reconnaissance du dommage et va réparer les dommages plus rapidement que la GG-NER. Chez Saccharomyces cerevisiae, les gènes de l’ARN ribosomal peuvent exister en 2 états distinct dans la cellule, soit actifs et transcrits par l’ARN polymerase I ou soit inactifs et recouverts de nucléosomes. Des études ont démontré que suite à une irradiation aux UV, il y avait fermeture des gènes ribosomaux actifs et réouverture au fur et à mesure que les dommages sont réparés. De plus, il a été démontré, qu’après irradiation, il y avait une présence plus importante d’ARN polymerase I au début du gène qu’à la fin. Ces évidences suggèrent que la TC-NER va réparer les dommages au début du gène et que son influence va diminuer au fur et à mesure qu’on avance dans le gène. Ainsi, les travaux présentés dans ce mémoire vise à évaluer l’impact de la TC-NER sur la cinétique de réparation de l’ADN ribosomal. À cet effet, une série d'extension d’amorces ont été effectuées dans différentes régions du gène de l’ARN ribosmal 35S. Ces analyses ont montré que la réparation des dommages UV au début du gène est médiée par la TCNER alors que plus loin dans le gène, la réparation est médiée en plus grande partie par la GG-NER. De plus, l’analyse de la réparation dans la région terminatrice de la transcription a montré que la TC-NER s’arrête au site principal de terminaison T1 dans une souche WT. Alors que dans une souche ayant un défaut dans le terminaison de la transcription, rpal2A, la TC-NER arrête au site terminaison secondaire T2. Dans une autre souche déficiente dans la terminaison, nsi1[triangle], le TC-NER n’est pas détectable après le site T1, mais une réparation plus rapide est observée après le site T2. [symboles non conformes]

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

Nous avons dans cette thèse cherché à définir un formalisme simple pour pouvoir modéliser des systèmes où se combinent des phénomènes non-déterministes et des comportements aléatoires. Nous avons choisi d'étendre le formalisme de la réécriture pour lui permettre d'exprimer des phénomènes probabilistes, puis nous avons étudié la terminaison en temps moyen fini de ce modèle. Nous avons également présenté une notion de stratégie pour contrôler l'application des règles de réécriture probabilistes et nous présentons des critères généraux permettant d'identifier des classes de stratégies sous lesquelles les systèmes de réécriture probabilistes terminent en temps moyen fini. Afin de mettre en valeur notre formalisme et les méthodes de preuve de terminaison en temps moyen fini, nous avons modélisé un réseau de stations \WIFI~ et nous montrons que toutes les stations parviennent à émettre leurs messages dans un temps moyen fini. / In this thesis we define a new formalism that allows to model transition systems where transitions can be either probabilistic or non deterministic. We choose to extend the rewriting formalism because it allows to simply express non-deterministic behavior. Latter, we study the termination of such systems and we give some criteria that imply the termination within a finite mean number of rewrite steps. We also study the termination of such systems when the firing of probabilistic rules are controlled by strategies. In this document, we use our techniques to model the \WIFI~ protocol and show that a pool of stations successfully emits all its messages within a finite mean time.

La transcription de l’ADN en ARN constitue la première étape de l’expression d’un gène. Durant les dix dernières années, plusieurs études ont montré qu’environ 80-90% du génome est transcrit et que la transcription peut démarrer presque partout. Ce phénomène, connu sous le nom de transcription envahissante, représente une menace sérieuse contre l’expression correcte du génome car il peut interférer non seulement avec d’autres évènements de transcription mais également avec n’importe quel procédé impliquant l’ADN. Une terminaison sélective est donc un mécanisme de la plus haute importance pour la stabilité du génome et la correcte régulation de l’expression des gènes. Ici nous décrivons la terminaison road-block, un nouveau mécanisme de la terminaison par l’ARN polymerase II, qui a pour fonction de limiter la transcription envahissante et de limiter les conséquences d’une translecture au niveau des sites de terminaison canoniques de S.cerevisiae. Nous démontrons également que plusieurs facteurs de transcription peuvent entrainer cette terminaison et que certains sites génomiques y sont associés. De plus, nous explorons également la possibilité que ces terminaisons road-block puissent contribuer à rendre spécifiques les origines de réplication. / Transcription of DNA into RNA intermediates constitutes the first step in gene expression. During the last decade, several studies showed that about 80-90% of the genome is transcribed, and that transcription can initiate almost anywhere. This process—known as pervasive transcription—represents a serious threat to proper gene expression as it has the potential to interfere with not only other transcription events, but any DNA-based process. Selective transcription termination is therefore a mechanism of paramount importance for genome transcriptome stability and correct regulation of gene expression. Here we describe road-block termination, a novel termination mechanism for RNA polymerase II that functions to limit pervasive transcription and buffer the consequences of readthrough transcription at canonical terminators in S.cerevisiae. We show that several transcription factors can elicit this termination and that a number of unexpected genomic loci are associated with it. Additionally, we explore the possibility that road-block termination might contribute to specification of replication origins.

La transcription cachée est un phénomène répandu aussi bien chez les eucaryotes que chez les procaryotes. Elle se caractérise par une production massive d’ARNs non-codants au niveau de régions non-annotées du génome et est potentiellement dangereuse pour la cellule car elle peut interférer avec l’expression normale des gènes. Chez S. cerevisiae, l’hélicase Sen1 induit la terminaison précoce de la transcription non-codante et joue ainsi un rôle clé dans le contrôle de la transcription cachée. Sen1 est très conservée et des mutations dans son homologue humain, senataxin (SETX), ont été associées à des maladies neurodégénératives. Malgré de nombreuses recherches menées sur ces protéines, leurs propriétés biochimiques ainsi que leurs mécanismes d’action restent peu connus. Durant ma thèse, j’ai étudié le mécanisme de terminaison par Sen1.Premièrement, j’ai caractérisé les activités biochimiques de Sen1 et analysé comment elles permettent d’induire la terminaison. Pour cela, j’ai utilisé un ensemble de techniques in vitro, notamment un système de transcription-terminaison qui contient uniquement des composants purifiés : Sen1, l’ARN polymérase II (Pol II) et les ADN matrices. Ce système permet de modifier les différents éléments de façon contrôlée afin de comprendre leur rôle précis dans la terminaison. J’ai tout d’abord analysé la fonction des différents domaines de Sen1 dans la terminaison. Sen1 est une protéine de taille importante qui possède un domaine central catalytique flanqué par deux domaines impliqués dans l’interaction avec d’autres facteurs. J’ai montré que le domaine hélicase est suffisant pour déclencher la terminaison de la transcription in vitro. Ensuite, j’ai montré que Sen1 utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP pour se déplacer sur des acides nucléiques simple bras (ARN et ADN) dans le sens 5’ vers 3’. J’ai alors étudié le rôle des différents acides nucléiques du système dans la terminaison par Sen1 et j’ai montré que l’interaction de Sen1 avec l’ADN n’est pas nécessaire; en revanche Sen1 doit s’associer à l’ARN naissant et se déplacer vers la polymérase. J’ai aussi montré qu’une fois que Sen1 entre en collision avec la Pol II, elle y exerce une action mécanique qui conduit à la terminaison uniquement quand la Pol II marque une pause. Cela indique que la terminaison est fortement dépendante de la pause transcriptionnelle. Deuxièmement, en collaboration avec le groupe d’E. Conti, nous avons réalisé une analyse structure-fonction du domaine hélicase de Sen1. Nous avons observé que Sen1 présente une organisation similaire à celle d’autres hélicases proches avec un core composé de deux domaines de type RecA avec plusieurs domaines auxiliaires. En général, le core est très conservé au sein des hélicases proches, alors que les domaines accessoires ont des caractéristiques distinctes qui confèrent des propriétés spécifiques aux différentes hélicases. En effet, nous avons identifié un sous-domaine spécifique à Sen1 mais conservé au cours de l’évolution que nous avons appelé le “brace”. Nous avons également détecté des différences notables au niveau d’un autre domaine accessoire que nous avons nommé le “prong”. Nous avons pu montrer que le “prong” est essentiel pour la terminaison par Sen1. Nos données suggèrent que les caractéristiques structurales spécifiques de Sen1 que nous avons révélées sont des déterminants majeurs de son activité dans la terminaison de la transcription. Finalement, nous avons utilisé Sen1 comme modèle pour étudier des mutations dans SETX qui sont associées à des maladies neurodégénératives. Nous avons introduit chez Sen1 une partie des mutations liées à des maladies et nous avons réalisé une caractérisation biochimique complète de chaque mutant. Nous avons ainsi montré que toutes les mutations sont fortement délétères pour la terminaison de la transcription. En conclusion, nos résultats ont permis d’améliorer la compréhension de l’origine des maladies provoquées par des mutations dans SETX. / Pervasive transcription is a common phenomenon both in eukaryotes and prokaryotes that consists in the massive production of non-coding RNAs from non-annotated regions of the genome. Pervasive transcription poses a risk that needs to be controlled since it can interfere with normal transcription of canonical genes. In S.cerevisiae, the helicase Sen1 plays a key role in restricting pervasive transcription by eliciting early termination of non-coding transcription. Sen1 is highly conserved across species and mutations in the human Sen1 orthologue, senataxin (SETX), are associated with two neurological disorders. Despite the major biological relevance of Sen1 proteins, little is known about their biochemical properties and precise mechanisms of action. During my PhD I have studied in detail the mechanisms of termination by Sen1.In a first project, I have characterized the biochemical activities of Sen1 and investigated how these activities partake in termination. To this end I have employed a variety of in vitro approaches, including a minimal transcription-termination system containing only purified Sen1, RNA polymerase II (RNAPII) and DNA transcription templates that allows modifying the different elements of the system in a controlled manner to understand their role in termination. First, we have analysed the function of the different domains of Sen1 in termination. Sen1 is a large protein composed of a central catalytic domain flanked by additional domains with proposed roles in protein-protein interactions. We have demonstrated that the central helicase domain is sufficient to elicit transcription termination in vitro. Next, we have shown that Sen1 can translocate along single-stranded nucleic acids (both RNA and DNA) from 5’ to 3’. Then, we have analysed the role of the different nucleic acid components of the elongation complex (i.e. nascent RNA and DNA transcription templates) in termination. Our results indicate that termination does not involve the interaction of Sen1 with the DNA but requires Sen1 translocation on the nascent RNA towards the RNAPII. Importantly, we show that upon encountering RNAPII, Sen1 can apply a mechanical force on the polymerase that results in transcription termination when RNAPII is paused under certain conditions. This indicates that RNAPII pausing is a strict requirement for Sen1-mediated termination. In a second project, in collaboration with the group of E. Conti we have performed a structure-function analysis of the helicase domain of Sen1. Comparison of Sen1 structure with that of other related helicases has revealed an overall similar organization consisting in two tandem RecA-like domains from which additional accessory subdomains protrude. In general, the core RecA-like domains are very well conserved among related helicases and most variation is found in the accessory subdomains, that often confer specific characteristics to different helicases. Indeed, we have found that Sen1 contains a unique but evolutionary conserved structural feature that we have dubbed the “brace”. In addition, Sen1 is different from other helicases in an auxiliary subdomain that we have named the “prong”. Importantly, we have shown that the integrity of this subdomain is critical transcription termination by Sen1. We propose that the specific features identified in our structural analyses are important determinants of the transcription termination activity of Sen1. Finally, we have used Sen1 as a model to investigate the molecular effect of SETX mutations linked to neurodegenerative diseases. We have introduced disease-associated mutations in Sen1 and performed a complete biochemical characterization of the different mutants in vitro. Importantly, we found that all mutants were severely affected in transcription termination. Taken together, our results elucidate the key structural determinants of the function of Sen1 and shed light on the molecular origin of the diseases associated with SETX mutations.

L’expression des gènes est un ensemble hautement régulé de mécanismes ayant pour objectifs de synthétiser les protéines fonctionnelles dont la cellule a besoin à partir des codes inscrits dans l’ADN. Pour contrôler la quantité de signal utilisé et pour que ce message puisse physiquement traverser la cellule, celle-ci utilise la transcription des ARN messagers comme intermédiaire. Pour assurer la qualité de ce signal et pour contrôler son niveau d’expression, plusieurs mécanismes de dégradation des ARNm se coordonnent dans les organismes en fonction de leurs spécificités propres. La littérature a depuis longtemps démontré les liens entre les machineries de synthèse des ARNm et celles de leur dégradation en identifiant comment ceux-ci travaillent ensemble pour assurer une bonne régulation génique. Un de ces mécanismes induit une terminaison dans la région non-codante en 3’ de certains gènes à partir d’un clivage par la ribonucléase III. Dans ce mémoire, nous voulons démontrer qu’un mécanisme similaire dépendant de la ribonucléase III peut induire une terminaison prémature de la transcription à l’intérieur même de séquences codantes. Ce mécanisme semble être indépendant du promoteur et du terminateur des gènes, préférant réguler sa sélectivité à partir de la structure liée au clivage de l’ARNm. Plusieurs séquences et structures sous forme de tige-boucles d’ARNm peuvent être reconnues par la ribonucléase III. Cependant, il existe des différences fonctionnelles entre les différentes tige-boucles et toutes n’induisent pas un mécanisme de terminaison prématurée. Comme ce type de mécanisme doit être inductible et/ou permissible afin de ne pas empêcher complètement l’expression des gènes cibles, nous pouvons potentiellement faire affaire à un nouveau modèle de régulation génique. / Abstract : Gene expression is a highly regulated coordination of processes with the objective of producing functional proteins from the DNA code of the cell. To control the amount of proteins produced, cells use messenger RNAs as an intermediate to permit genomic information to move across the cell. To assure the quality of this signal and to control the level of gene expression, many RNA degradation mechanisms coordinate together according to their own specificities. Scientific literature has demonstrated long ago the existing interactions between RNA synthesis and RNA degradation pathways and how they closely work together to achieve viable gene expression regulation. One of those mechanisms induces transcription termination in the 3’ untranscribed region of coding genes initiated with a RNA cleavage from a ribonuclease III. In this master thesis, we show that a similar RNase III dependent mechanism can induce premature transcription termination inside the coding sequence. This mechanism seems promotor and terminator independent and depends mostly on the sequence coding for a stem-loop structure in the mRNA. Different sequences can induce a stem-loop structure recognizable by RNase III. However, there are some functional differences between stem-loop structures and not all of them can induce premature transcription termination. Since this mechanism must not happen every time and somehow must be inducible to permit gene expression when needed, this could possibly lead to a new gene regulation model.

L'évaluation des systèmes répartis est habituellement fondée sur des critères numériques relatifs à la quantité d'information échangée au cours des calculs. Nous montrons que ces critères ne sont pas suffisants pour évaluer le degré de répartition des algorithmes répartis usuels. Des critères qualitatifs, spécifiques de la répartition, sont nécessaires.<br /><br />La modularité exprime que les processeurs du système n'ont initialement aucune connaissance concernant globalement le réseau dans lequel ils sont plongés. La symétrie exprime que les processeurs avec des positions topologiquement équivalentes dans le réseau ont aussi des rôles équivalents dans les calculs.<br /><br />Nous définissons ces propriétés dans le cadre du langage CSP des processus séquentiels communicants de Hoare. Nous proposons une définition syntaxique pour la modularité. Nous montrons qu'une définition syntaxique de la symétrie n'est pas suffisante. Nous en proposons une définition sémantique. Cette définition se réfère implicitement à une sémantique partiellement ordonnée de CSP. <br /><br />Nous étudions l'existence d'algorithmes de diffusion et d'élection dans les réseaux de processus communicants, qui soient modulaires et symétriques. Nous obtenons de nombreux résultats positifs et négatifs. Ceci conduit en particulier à une évaluation précise du pouvoir expressif de CSP. Nous montrons par exemple qu'il n'existe pas d'implantation des gardes d'émission par des gardes de réception seulement, si la symétrie doit être préservée.<br /><br />Ces résultats sont enfin utilisés pour proposer une solution modulaire, symétrique et bornée au problème de la détection de la terminaison répartie proposé par Francez.

La synthèse d’un ARNm eucaryotique dépend d’une suite d’étapes qui inclut notamment l’ajout d’une queue poly(A) à son extrémité 3’. Au noyau, la queue poly(A) des ARNms est liée par PABPN1 (poly(A)-binding protein nuclear 1). PABPN1 fut notamment caractérisée, d’après des études in vitro, pour stimuler la réaction de polyadénylation en plus de contrôler la taille ultime des queues poly(A). Cela dit, la ou les fonction(s) biologique(s) de PABPN1 est/sont cependant largement méconnue(s). Chez Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), Pab2 est l’orthologue présumé de PABPN1. Or, mes travaux indiquent que Pab2 est fonctionnellement différente de PABPN1 à l’égard de son rôle sur le processus général de polyadénylation. Ainsi, in vivo, l’absence de Pab2 entraîne l’expression et l’accumulation d’un groupe limité d’ARNs hyperadénylés parmi lesquels se trouvent de nombreux petits ARNs nucléolaires non-codants (snoRNAs) lesquels constituent normalement un groupe abondant d’ARN poly(A)-. Mes résultats supportent ainsi un mécanisme par lequel des snoRNAs immatures poly(A)+, sont convertis en une forme mature poly(A)- par le biais de Pab2 et de l’activité 3’-->5’ exoribonucléase de l’exosome à ARN. Ces observations sont inusitées dans la mesure où elles associent une fonction pour une PABP dans la maturation d'ARNs non-codants, contrairement à la notion que les PABPs travaillent exclusivement au niveau des ARNms, en plus de procurer une nouvelle perspective face au mécanisme de recrutement de l'exosome à ARN à des substrats poly(A)+. La formation de l’extrémité 3’ d’un ARN est un processus étroitement lié à la terminaison de sa transcription. Pour les gènes codants, la terminaison transcriptionnelle est initiée par le clivage endonucléolytique du pré-ARNm. Ce clivage génère une extrémité d’ARN 5’ libre laquelle sera ciblée par une exoribonucléase 5'-->3’ afin de mener à bien l’éviction de l’ARNPII de la matrice d’ADN (terminaison transcriptionnelle de type torpedo). Au contraire, chez Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae), la majorité des gènes non-codants, incluant les snoRNAs, dépendent plutôt du complexe NNS (Nrd1/Nab3/Sen1) pour la terminaison de leur transcription. Cela dit, il est incertain si le complexe NNS est conservé chez d’autres espèces. À cet égard, mes travaux indiquent que S. pombe est dépourvu d’un mécanisme de terminaison de la transcription de type NNS. Seb1, l’orthologue présumé de Nrd1 chez S. pombe, s’associe plutôt à la machinerie de clivage et de polyadénylation et influence la sélection de site de polyadénylation à l’échelle du génome. Mes résultats supportent ainsi l’utilisation de la machinerie de maturation 3’ des ARNms comme principal vecteur de terminaison transcriptionnelle chez S. pombe et identifient Seb1 comme un facteur clé de ce processus. L’évènement transcriptionnel étant hautement complexe, des erreurs peuvent arriver de manière stochastique menant à l’accumulation d’ARNs aberrants potentiellement néfastes pour la cellule. Or, mes travaux ont mis en lumière un mécanisme de surveillance co-transcriptionnel des ARNs impliquant l’exosome à ARN et lié à la terminaison de la transcription. Pour ce faire, l’exosome à ARN promeut la terminaison transcriptionnelle via la dégradation d’une extrémité 3’ libre d’ARN devenue émergente suite au recul de l’ARNPII le long de la matrice d’ADN (phénomène de backtracking). Mes résultats supportent ainsi une terminaison de la transcription de type torpedo inversé (3'-->5’) réévaluant par la même occasion le concept voulant que la terminaison de la transcription s’effectue uniquement selon une orientation 5’-->3’. Somme toute, mes travaux de doctorat auront permis d’identifier et de caractériser plus en détail les facteurs et mécanismes impliqués dans la maturation 3’ et la terminaison de la transcription des gènes codants et non-codants chez l’organisme modèle S. pombe.

L'abandon (ou terminaison) des programmes d'armement est un phénomène en progression aux Etats-Unis. Au cours des vingt dernières années, la première puissance mondiale a annulé presque deux fois plus de systèmes que durant la période 1970-1989, et au regard de la crise économique qui secoue actuellement le pays la tendance ne semble pas près de s'inverser. Mais, en dépit de son actualité, la terminaison demeure un sujet peu étudié en science politique. En faisant appel à l'analyse cognitive des politiques publiques, cette thèse propose d'y apporter des éléments de réponse. Elle repose pour cela sur l'examen de trois programmes d'armement dont le développement ou la production furent arrêtés entre 1991 et 2009 : l'avion d'attaque A-12 Avenger II, l'hélicoptère RAH-66 Comanche et le chasseur F-22 Raptor. Les résultats de l'étude montrent que depuis les années 90, les décideurs américains sont bien moins réfractaires à l'idée de terminer les programmes qu'ils estiment trop chers ou inutiles. Cette tendance lourde dans la politique d'armement a pour origine le changement de paradigme provoqué par la fin de la Guerre froide. Avec l'obsolescence de la notion de course aux armements, l’impératif de modernisation qui animait autrefois l’acquisition militaire américaine s’est assoupli pour laisser place à une représentation plus pragmatique des enjeux d’équipement. / Weapons programs cancellation (or termination) is a rising phenomenon in the U.S. Over the past twenty years, the world's greatest power has been cancelling nearly twice as much major systems as during the 1970-1989 period, and in view of the economic crisis that now shakes the country, this trend is unlikely to reverse. However, despite its relevance in the current context, little research has been done so far on policy termination. Using a cognitive approach, this thesis aims to provide answers on this issue. Three major weapons programs, whose development or production were stopped between 1991 and 2009, were selected as case studies : the A-12 Avenger II attack aircraft, the RAH-66 Comanche helicopter, and the F-22 Raptor fighter aircraft. Results of this study showed that, since the 90's, U.S. decision-makers became far less reluctant to cancel the weapons programs they consider irrelevant or too costly. This major trend in procurement has its origin in the deep normative change that occurred with the end of the Cold War. With the obsolescence of the arms race, the follow-on imperative that previously drove U.S. weapons policy diminished, giving way to a more pragmatic vision of acquisition matters.