Les protéines du groupe Polycomb (PcG) sont des protéines essentielles et conservées, qui forment deux complexes principaux, PRC1 et PRC2, qui sont recrutés au niveau de la chromatine et qui répriment stablement l’expression génique. Chez Drosophila melanogaster, les complexes Polycomb sont recrutés à des éléments d’ADN appelés éléments de réponse Polycomb (PREs) pour réprimer la transcription. PREs sont des éléments mémoires permutables qui peuvent maintenir la répression ou l’expression génique. Malgré des dizaines d’années d’étude, des questions fondamentales sur le fonctionnement du système PcG subsistent. 1) Comment les protéines PcG sont recrutées aux PREs uniquement lors du contexte développemental approprié, et comment les PREs peuvent conduire à la fois à l’activation et à la répression stable. 2) Comment les complexes PcG répriment la transcription, et si cela implique de nouvelles activités biochimiques et interactions. 3) Comment la répression dépendante des PcG peut-elle être propagé à travers le cycle cellulaire. La recherche de nouvelles activités biochimiques pour les complexes PcG pouvant répondre à ces questions fait l’objet de cette thèse. Les PREs sont transcrits en ARN qui pourraient donner la spécificité de contexte pour recruter les protéines PcG. Nous avons supposé que des R-loops puissent se former aux PREs, et être reconnues par les complexes Polycomb, ce que vous avons testé dans le chapitre 2. Nous avons identifié les séquences formant des R-loops dans des embryons et une lignée cellulaire de Drosophila melanogaster, et nous avons trouvé que ~30% des PREs forment des R-loops. Nous avons découvert que les PREs ayant formé des R-loops ont une plus forte probabilité d’être liés par les protéines PcG in vivo et in vitro. PRC2 lie des milliers d’ARN in vivo, mais aucune fonction claire n’y a été associée. En utilisant des expériences in vitro, nous avons identifié une activité d’invasion de brins pour PRC2 qui induit la formation d’hybride ARN-ADN, la partie principale d’une R-loop. Dans ce chapitre, nous avons trouvé que les PREs forment des R-loops, et sont impliquées dans le recrutement des protéines PcG qui induisent la répression génique stable. Nous avons découvert une activité d’invasion de brins pour PRC2 qui pourrait impliquer ce complexe Polycomb dans la formation de R-loops in vivo. Dans le chapitre 3, nous avons identifié une activité similaire à celle de la topoisomérase I associée avec PRC1 et la région C-terminale de sa sous-unité PSC (PSC-CTR). PRC1 et PSC-CTR peuvent relaxer un plasmide surenroulé négativement et ajouter des supertours négatifs à un plasmide relaxé en absence de topoisomérase. Cette activité suggère que la régulation de la topologie de l’ADN puisse être un nouveau mécanisme utilisé par les complexes PcG. PRC1 peut résoudre les R-loops formées sur un ADN négativement surenroulé in vitro. Une fonction possible pour cette activité de topoisomérase peut être la régulation des R-loops, dont la stabilité dépend à la fois de la séquence d’ADN et de la topologie de l’ADN environnant, in vivo. Dans cette thèse, nous avons identifié de nouvelles activités chez les complexes PcG : une activité d’invasion de brins pour PRC2 et une activité similaire à celle des topoisomérases pour PRC1. Ces deux activités impliquent les complexes PcG dans la formation et la résolution de R-loops. De plus, ces deux complexes peuvent reconnaitre les R-loops et sont recrutés aux PREs ayant formé ces structures. En conclusion, nous avons identifié de nouvelles activités pour les complexes Polycomb PRC1 et PRC2 qui les lient à la formation, la reconnaissance et la résolution de R-loops. / Polycomb group (PcG) proteins are conserved, essential proteins, which assemble in two main complexes, PRC1 and PRC2, which are targeted to chromatin and stably repress gene expression. In Drosophila melanogaster, Polycomb complexes are targeted to DNA elements called Polycomb response elements (PREs) to repress transcription. PREs are switchable memory elements that can maintain either gene repression or gene activation. Despite decades of study, fundamental questions about how the PcG system functions remain. These include: 1) how PcG proteins are targeted to PREs only in the appropriate developmental context, and how PREs can mediate both stable activation and repression; 2) how PcG complexes repress transcription, and whether it involves novel biochemical mechanisms and interactions; 3) how PcG repression can be propagated through cell cycles. The search for new biochemical activities for PcG complexes that may answer these questions is the topic of this thesis. PREs are transcribed into RNAs which may give the context specificity to recruit PcG proteins. We hypothesized that R-loops may form at PREs, and be recognized by PcG complexes, which we tested in Chapter 2. We identified R-loop forming sequences in Drosophila melanogaster embryos and tissue culture cells, and found that ~30% of the PREs form R-loops. We found that PREs which have formed R-loops are more likely to be bound by PcG proteins both in vivo and in vitro. PRC2 binds to thousand RNA in vivo but no clear activity has been associated with it. Using in vitro assays, we identified a strand exchange activity for PRC2 which induces the formation of RNA-DNA hybrid, the main part of an R-loop. In this chapter, we have found that PREs form R-loops and are involved in the targeting of PcG proteins which induce stable gene repression. We have discovered an RNA strand exchange activity for PRC2 which may involve this Polycomb complex in the formation of R-loops in vivo. In Chapter 3, we identified a type I topoisomerase-like activity associated with PRC1 and the C-terminal region of its subunit PSC (PSC-CTR). PRC1 and PSC-CTR can relax a negatively supercoiled plasmid and add negative coils to a relaxed plasmid in absence of topoisomerase. This activity suggests regulation of DNA topology may be a novel mechanism used by PcG complexes. PRC1 can resolve R-loops formed on negatively supercoiled DNA in vitro. One role for the topoisomerase-like activity may be to regulate R-loops, whose stability of depends on both the DNA sequence and the topology of the surrounding DNA, in vivo. In this thesis, we identified new activities for Polycomb group complexes: an RNA strand exchange activity for PRC2 and a topoisomerase-like activity for PRC1. Both activities link PcG complexes to the formation and resolution of R-loops. In addition, both complexes can recognize R-loops and are recruited to PREs which have formed these structures. In conclusion, we have identified new nucleic acid-based activities for the Polycomb complexes PRC1 and PRC2, which link them to the formation, recognition and resolution of R-loops.

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Le stress oxydant joue un rôle majeur dans le déclenchement et le développement de la sclérodermie systémique (ScS). Nous avons mis au point un modèle murin où la maladie est déclenchée par divers types de stress oxydant, puis nous avons exploré les différentes voies d'activation des fibroblastes sous l'effet des formes réactives de l'oxygène, afin de déterminer d'éventuelles cibles thérapeutiques. Pour apprécier les effets d’un stress oxydant chronique, des solutions contenant différents oxydants ont été injectées dans la peau de souris BALB/c et BALB/c SCID. Les solutions contenant le radical hydroxyl OH° ou HOCl ont induit une maladie caractérisée, comme la ScS diffuse, par une fibrose cutanée et viscérale, et des auto-anticorps anti-ADN topoisomérase-1. Les sérums de ces souris contenaient de grandes quantités de dérivés oxydés des protéines et induisaient la prolifération des fibroblastes et la production de formes réactives de l’oxygène par les cellules endothéliales. Une fibrose pulmonaire de moindre importance était induite chez les souris BALB/c SCID. Grâce à ce nouveau modèle murin de SSc, nous avons démontré que le stress oxydant était directement responsable des anomalies observées dans les fibroblastes, les cellules endothéliales et le système immunitaire. Nous avons ensuite utilisé ce modèle pour analyser les voies d’activation fibroblastique dans la ScS. Dans les fibroblastes des souris exposées à HOCl, on observe une dérégulation des voies des récepteurs Notch, des récepteurs aux cannabinoïdes, et des récepteurs au PDGF. On observe les mêmes dérégulations ex vivo dans les fibroblastes de patients atteints de SSc diffuse. Nous avons ainsi observé une amélioration clinique significative chez les souris sclérodermiques traitées avec un inhibiteur de l’activation de Notch, avec un agoniste des récepteurs aux cannabinoïdes, et avec des inhibiteurs de tyrosine-kinase ciblant le récepteur au PDGF. Puisque les fibroblastes sclérodermiques ont un phénotype activé et produisent de forts taux de formes réactives de l’oxygène, nous avons enfin mis à profit cette particularité pour induire l’apoptose sélective de ces cellules dans le derme des souris. Le trioxyde d’arsenic, molécule cytotoxique utilisée en thérapeutique humaine, augmente la production cellulaire de formes réactives de l’oxygène au-delà d’un seuil létal et induit ainsi l’apoptose des fibroblastes sclérodermiques. L’utilisation in vivo de cette molécule dans notre modèle murin prévient la fibrose cutanée et viscérale, et les anomalies endothéliales. Le trioxyde d’arsenic a un effet comparable dans le modèle murin de ScS associée à la réaction du greffon contre l’hôte en détruisant les lymphocytes T CD4+ alloréactifs activés et les cellules dendritiques plasmacytoïdes responsables de l’activation du système immunitaire. Les formes réactives de l’oxygène sont donc impliquées dans l’induction des lésions observées au cours de la ScS. Dans notre modèle, le rôle du système immunitaire intervient dans l'auto-entretien et l’extension systémique de la maladie. Le stress oxydant contribue à la dérégulation de diverses voies de signalisation dont les voies des récepteurs Notch, des récepteurs aux cannabinoïdes et du PDGF dans les fibroblastes. La modulation de ces voies permet d’obtenir une amélioration clinique chez les souris sclérodermiques, tout comme l’utilisation du trioxyde d’arsenic qui entraîne la délétion spécifique des fibroblastes sclérodermiques surpoduisant des formes réactives de l’oxygène. Le trioxyde d’arsenic montre également une efficacité intéressante dans le modèle de sclérodermie associée à la maladie du greffon contre l’hôte via la délétion des lymphocytes T CD4+ alloréactifs. / We defend the thesis that the oxidative stress plays a major role in the initiation and the development of systemic sclerosis. To demonstrate this thesis, we designed an original mouse model: BALB/c and BALB/SCID mice were injected intra-dermally with prooxidative agents, bleomycin or PBS for 6 weeks. Hypochlorite and hydroxyl radicals induced cutaneous and lung fibrosis in BALB/c mice, in association with anti-DNA topoisomerase-1 auto-antibodies that characterize human diffuse systemic sclerosis. Pulmonary fibrosis was less extensive in BALB/c SCID mice submitted to the same protocol. In this model of HOCl-induced systemic sclerosis, cutaneous fibroblasts display a hyperactivated phenotype that prompted us to investigate several pathways of cellular activation. The NOTCH pathway and the PGDF-receptor pathways were found upregulated in the skin of HOCl-mice. DAPT (a gamma secretase inhibitor that prevents NOTCH cleavage), Sunitinib (an inhibitor of PGDF-receptor phosphorylation), and WIN-55,212, an agonist of the cannabinoid receptors 1 and 2, dramatically improved the clinical, histological and biological signs of systemic sclerosis in the HOCl model.In our model as in patients with SSc, activated fibroblasts produce reactive oxygen species that exert an autocrine effect on their own proliferation and collagen synthesis. By analogy with tumor cells that undergo apoptosis upon cytotoxic treatment that triggers an oxidative stress beyond a lethal threshold, we showed that activated fibroblasts can be selectively killed by the cytotoxic molecule arsenic trioxide (As2O3) that generates intracellular ROS. In the mouse model of sclerodermatous-graft versus host disease (Scl-GVHD), daily intra-peritoneal injections of As2O3 abrogated the clinical symptoms (diarrhea, alopecia, vasculitis, fibrosis of the skin and visceral organs) and specifically induced the apoptosis of activated CD4+ T cells and plasmacytoid dendritic cells. Those data provide a rationale for the evaluation of As2O3 in the management of patients affected by systemic sclerosis or chronic GVHD.

Yes / Topoisomerase inhibitors are in common use as chemotherapeutic agents although they can display reduced efficacy in chemotherapy-resistant tumours, which have inactivated DNA damage response (DDR) genes, such as ATM and TP53. Here, we characterise the cellular response to the dual-acting agent, Alchemix (ALX), which is a modified anthraquinone that functions as a topoisomerase inhibitor as well as an alkylating agent. We show that ALX induces a robust DDR at nano-molar concentrations and this is mediated primarily through ATR- and DNA-PK- but not ATM-dependent pathways, despite DNA double strand breaks being generated after prolonged exposure to the drug. Interestingly, exposure of epithelial tumour cell lines to ALX in vitro resulted in potent activation of the G2/M checkpoint, which after a prolonged arrest, was bypassed allowing cells to progress into mitosis where they ultimately died by mitotic catastrophe. We also observed effective killing of lymphoid tumour cell lines in vitro following exposure to ALX, although, in contrast, this tended to occur via activation of a p53-independent apoptotic pathway. Lastly, we validate the effectiveness of ALX as a chemotherapeutic agent in vivo by demonstrating its ability to cause a significant reduction in tumour cell growth, irrespective of TP53 status, using a mouse leukaemia xenograft model. Taken together, these data demonstrate that ALX, through its dual action as an alkylating agent and topoisomerase inhibitor, represents a novel anti-cancer agent that could be potentially used clinically to treat refractory or relapsed tumours, particularly those harbouring mutations in DDR genes.