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The Polycomb group (Pc-G) and trithorax group (trx-G) genes play crucial roles in development by regulating expression of homeotic and other genes that control cell fate. Both groups catalyse modifications in chromatin, including histone methylation, leading to epigenetic changes in gene activity. The trx-G antagonises the function of Pc-G genes by activating Pc-G target genes, and consequently trx-G mutants suppress Pc-G mutants. The trx-G genes are relatively poorly characterised in plants. We identified a novel trx-G candidate SUPRESSOR OF POLYCOMB 12 (SOP12) by a genetic screen for suppressors of mutants for the Arabidopsis Pc-G gene CURLY LEAF (CLF). Thus sop12 mutations have no discernible phenotype in wild type backgrounds but partially suppress the leaf curling and early flowering phenotypes of clf mutants. Molecular cloning shows that SOP12 encodes a Harbinger transposase nuclease-like protein which is conserved in green plants, although key residues required for the catalytic activity of the nuclease domain are not conserved. In sop12 clf double mutants, many CLF target genes are down-regulated relative to clf mutant, which suggests SOP12 is a general activator of Pc-G target genes instead of a target of CLF or a late flowering suppressor. The CLF gene encodes an H3K27me3 histone methyltransferase, however chromatin immunoprecipitation (ChIP) analysis indicates that SOP12 does not antagonise Pc-G by removing H3K27me3 methylation, which is consistent with the fact that sop12 suppresses mutants for another Pc-G gene, LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1 (LHP1), which is not involved in H3K27me3 deposition. . Rather, genetic analysis shows that sop12 enhances the phenotype of mutants of EARLY FLOWERING IN SHORT DAYS (EFS), a trx-G gene involved in deposition of H3K36me3, and of ULTRAPETALA 1 (ULT1), a plant specific trx-G gene. The enhancement indicates SOP12 may act together with ULT or EFS proteins, or at least regulate the same targets in synergistic ways. For example, SOP12 activates AP3 expression, a role which overlaps with EFS. Yeast two hybrid screening and imunoprecipitation followed by Mass spectrometry were performed to identify numerous potential SOP12 interacting proteins but await further validation. One protein (SUP1) identified through yeast two hybrid screens was independently identified by another group as a Pc-G suppressor, suggesting that SOP12 and SUP1 may act in a common complex to regulate Pc-G targets. Collectively, my data suggests that SOP12 represents a domestic transposase that has acquired a role as a novel, plant specific trx-G members.

Mammals have two orthologs, Mll and Trx2, for the Drososphila protein Trithorax (TRX), which is the founding member of the trithorax group (TrxG) of epigenetic regulators. TrxG proteins are characterized by an evolutionary conserved SET domain. A major function of all SET domain- containing proteins is to modulate gene activity, but the underlying mechanisms are poorly understood. Apparently TRX, Mll and Trx2 are histone H3 lysine 4 specific methyltransferases. So far all evidence points to roles in expression of specific target genes. However, target genes and function of the epigenetic regulator Trx2 were still unknown. Homozygous trx2 mutant embryos arrest in development because of severe and widespread defects {Glaser, 2005 #296}. Thus mouse embryonic stem (ES) cells carrying a null mutation of trx2 were used as an alternative model system to address the implication of Trx2 in differentiation. This study showed that Trx2 is redundant for ES cell self-renewal. Homozygous trx2 knockout ES cells did not exhibit cell cycle defects. However, loss of Trx2 resulted in reduced proliferation and increased apoptosis rates in trx2-/- ES cells. Due to the fact that differentiation requires an appropriate rate of population growth, trx2-/- cells were affected adversely upon in vitro differentiation. Neurogeneic differentiation of trx2 mutant cells generated fewer mature neurons than wild type cells. Moreover a temporal delay in the developmental progression to differentiation became apparent. Cardiac differentiation of trx2-/- cells confirmed the developmental defect and temporal delay. Notably differentiation of trx2-/- cells was merely delayed or impaired but it was not absent, implying that Trx2 is not required for gene expression programs specific for neurons or cardiac myocytes. We propose that differentiation of trx2-/- ES cells is impaired because apoptosis is disturbing differentiation. Apart from analyzing the phenotype of trx2 mutant cells, this work was focused on the identification of Trx2 target genes. Oligonucleotide expression arrays were used to identify genes whose expression levels were affected by the absence of Trx2. In general, loss of Trx2 function resulted in more genes with decreased than increased expression levels. This is consistent with the hypothesis that Trx2 functions as a transcriptional activator. Comparison of gene expression profiles for constitutive and conditional trx2 mutant cells enabled a distinction between direct and indirect target genes for Trx2. As a result Magoh2 was identified as the key candidate target gene for Trx2. Interaction between Trx2 and Magoh2 suggested a potential regulatory role for Trx2 in alternative splicing. Furthermore this work provided evidence that Trx2 could be involved in the maintenance of CpG island promoter gene expression, thus providing a potent regulatory mechanism for ubiquitously expressed genes.

Mammals have two orthologs, Mll and Trx2, for the Drososphila protein Trithorax (TRX), which is the founding member of the trithorax group (TrxG) of epigenetic regulators. TrxG proteins are characterized by an evolutionary conserved SET domain. A major function of all SET domain- containing proteins is to modulate gene activity, but the underlying mechanisms are poorly understood. Apparently TRX, Mll and Trx2 are histone H3 lysine 4 specific methyltransferases. So far all evidence points to roles in expression of specific target genes. However, target genes and function of the epigenetic regulator Trx2 were still unknown. Homozygous trx2 mutant embryos arrest in development because of severe and widespread defects {Glaser, 2005 #296}. Thus mouse embryonic stem (ES) cells carrying a null mutation of trx2 were used as an alternative model system to address the implication of Trx2 in differentiation. This study showed that Trx2 is redundant for ES cell self-renewal. Homozygous trx2 knockout ES cells did not exhibit cell cycle defects. However, loss of Trx2 resulted in reduced proliferation and increased apoptosis rates in trx2-/- ES cells. Due to the fact that differentiation requires an appropriate rate of population growth, trx2-/- cells were affected adversely upon in vitro differentiation. Neurogeneic differentiation of trx2 mutant cells generated fewer mature neurons than wild type cells. Moreover a temporal delay in the developmental progression to differentiation became apparent. Cardiac differentiation of trx2-/- cells confirmed the developmental defect and temporal delay. Notably differentiation of trx2-/- cells was merely delayed or impaired but it was not absent, implying that Trx2 is not required for gene expression programs specific for neurons or cardiac myocytes. We propose that differentiation of trx2-/- ES cells is impaired because apoptosis is disturbing differentiation. Apart from analyzing the phenotype of trx2 mutant cells, this work was focused on the identification of Trx2 target genes. Oligonucleotide expression arrays were used to identify genes whose expression levels were affected by the absence of Trx2. In general, loss of Trx2 function resulted in more genes with decreased than increased expression levels. This is consistent with the hypothesis that Trx2 functions as a transcriptional activator. Comparison of gene expression profiles for constitutive and conditional trx2 mutant cells enabled a distinction between direct and indirect target genes for Trx2. As a result Magoh2 was identified as the key candidate target gene for Trx2. Interaction between Trx2 and Magoh2 suggested a potential regulatory role for Trx2 in alternative splicing. Furthermore this work provided evidence that Trx2 could be involved in the maintenance of CpG island promoter gene expression, thus providing a potent regulatory mechanism for ubiquitously expressed genes.

Chez les eucaryotes pluricellulaires, la différenciation des cellules repose en partie sur l’activation oula répression des gènes. Les profils d’expression génique mis en place vont perdurer d’une générationcellulaire à l’autre. Ce phénomène met en jeu des mécanismes épigénétiques qui remodèlentlocalement la structure de la chromatine. Chez Drosophila melanogaster, les protéines des groupesPolycomb (PcG) et Trithorax (TrxG) participent au maintien du profil d’expression des gènes au coursdu développement. Les protéines PcG maintiennent les gènes réprimés tandis que les protéines TrxGmaintiennent les gènes activés. Une troisième classe de protéines nommée Enhancers of Trithoraxand Polycomb (ETP) module l’activité des PcG et TrxG. Dorsal Switch Protein 1 (DSP1) est uneprotéine HMGB (High Mobility Group B) classée comme une ETP. Par tamisage moléculaire, nousavions montré que la protéine DSP1 était présente au sein de complexes de poids moléculaire de 100kDa à 1 MDa. Le travail de thèse présenté ici a pour but d’identifier les partenaires de la protéineDSP1 dans l’embryon et de mieux connaître les propriétés biochimiques de DSP1. Premièrement, j’aimis en place puis effectué l’immunopurification des complexes contenant DSP1 dans des extraitsprotéiques embryonnaires. Cette approche nous a permis d’identifier 23 partenaires putatifs de laprotéine DSP1. Parmi ces protéines, nous avons identifié la protéine Rm62 qui est une ARN hélicaseà boîte DEAD. Les relations biologiques entre DSP1 et Rm62 ont été précisées. Deuxièmement, j’aidéterminé, par une approche biochimique, de nouvelles caractéristiques physico-chimiques de laprotéine DSP1. / In multicellular organism, the identity of cell is determined by several factors playing on genesexpression. Once established, the gene expression pattern is transmitted to daughter cells through aprocess involving epigenetic mechanisms that locally reshape the structure of chromatin. In Drosophilamelanogaster, the Polycomb (PcG) and trithorax (trxG) group genes are involved in the maintenanceof gene expression profile during development. Inside multimeric complexes, PcG proteins maintaingenes in repressed state whereas TrxG maintain genes active. A third class of proteins, calledEnhancers of Trithorax and Polycomb, regulate PcG and TrxG activities. Dorsal Switch Protein 1(DSP1) is a High Mobility Group B protein acting as an ETP. But DSP1 has not yet been identified inPcG or TrxG complexes. On the basis of gel filtration analysis of protein complexes in embryo nuclearextracts, it appears that the majority of DSP1 is present in complex(es) from 100 kDa to 1MDa. Aimsof present work are the identification of DSP1 protein partners in drosophila embryo and thecharacterization of biochemical properties of DSP1. Firstly, I used immunopurification from drosophilaembryonic nuclear extracts. The proteins purified with DSP1 were characterized through sequencingof peptides from individual protein bands by mass spectrometry. Among identified proteins, wefocused on the DEAD Box RNA helicase, Rm62. The role of interaction between DSP1 and Rm62 hasbeen characterized. Secondly, I have identified a new physicochemical aspect of DSP1 protein.

Les chromodomaines sont présents dans de nombreux régulateurs de la structure chromatinienne. Ils sont très conservés et reconnaissent spécifiquement certaines lysines méthylées sur les histones. Chez la drosophile, l'Enhancer de Trithorax et Polycomb Corto, impliqué dans la répression et dans l'activation transcriptionnelle de nombreux gènes, contient un chromodomaine (CortoCD). La surexpression de CortoCD dans des drosophiles transgéniques montre que c'est un module d'adressage à la chromatine. L'identification par spectrométrie de masse des polypeptides retenus par CortoCD in vitro révèle qu'ils correspondent à des protéines ribosomiques nucléaires (RPs). Je me suis concentrée sur l'une d'entre elle, RPL12, car les homologues de cette dernière dans d'autres espèces possèdent de nombreux résidus lysines méthylés. J'ai montré que CortoCD reconnaît spécifiquement la lysine 3 de RPL12 triméthylée (RPL12K3me3). De plus, Corto et RPL12 co-localisent avec des marques épigénétiques activatrices sur les chromosomes polytènes. L'analyse par ChIP (immunoprécipitation de la chromatine), de deux cibles transcriptionnelles de Corto et RPL12, révèle que ces deux protéines sont localisées dans le corps des gènes et ne sont pas enrichies sur les promoteurs, suggèrant un rôle dans l'élongation de la transcription. Des analyses transcriptomiques (RNAseq) montrent que Corto et RPL12 régulent majoritairement des gènes impliqués dans la biogenèse des ribosomes. Nos résultats mettent en évidence pour la première fois une coopération entre une protéine ribosomique et un facteur de maintien de la mémoire épigénétique dans la régulation transcriptionnelle. Les chromodomaines sont présents dans de nombreux régulateurs de la structure chromatinienne. Ils sont très conservés et reconnaissent spécifiquement certaines lysines méthylées sur les histones. Chez la drosophile, l'Enhancer de Trithorax et Polycomb Corto, impliqué dans la répression et dans l'activation transcriptionnelle de nombreux gènes, contient un chromodomaine (CortoCD). La surexpression de CortoCD dans des drosophiles transgéniques montre que c'est un module d'adressage à la chromatine. L'identification par spectrométrie de masse des polypeptides retenus par CortoCD in vitro révèle qu'ils correspondent à des protéines ribosomiques nucléaires (RPs). Je me suis concentrée sur l'une d'entre elle, RPL12, car les homologues de cette dernière dans d'autres espèces possèdent de nombreux résidus lysines méthylés. J'ai montré que CortoCD reconnaît spécifiquement la lysine 3 de RPL12 triméthylée (RPL12K3me3). De plus, Corto et RPL12 co-localisent avec des marques épigénétiques activatrices sur les chromosomes polytènes. L'analyse par ChIP (immunoprécipitation de la chromatine), de deux cibles transcriptionnelles de Corto et RPL12, révèle que ces deux protéines sont localisées dans le corps des gènes et ne sont pas enrichies sur les promoteurs, suggèrant un rôle dans l'élongation de la transcription. Des analyses transcriptomiques (RNAseq) montrent que Corto et RPL12 régulent majoritairement des gènes impliqués dans la biogenèse des ribosomes. Nos résultats mettent en évidence pour la première fois une coopération entre une protéine ribosomique et un facteur de maintien de la mémoire épigénétique dans la régulation transcriptionnelle.

Chez les organismes pluricellulaires, la prolifération, la différenciation ou encore la<br />mort des cellules reposent en partie sur l'activation et la répression de gènes spécifiques. Les<br />profils d'expressions géniques ainsi mis en place sont maintenus d'une génération cellulaire à<br />l'autre par des mécanismes épigénétiques stables qui altèrent la structure de la chromatine au<br />niveau des gènes cibles. Les protéines des groupes Polycomb (PcG) et Trithorax (TrxG)<br />établissent une mémoire cellulaire au cours des mitoses en maintenant l'état transcriptionnel<br />de nombreux gènes par une réorganisation de la structure chromatinienne. Les protéines PcG<br />maintiennent la répression des gènes cibles en créant des domaines chromatiniens compacts<br />où l'ADN est peu accessible. Les protéines TrxG assurent le maintien de l'activation des gènes<br />en bloquant la propagation des complexes PcG et en déplaçant les nucléosomes. Chez la<br />drosophile, ces protéines agissent au sein de complexes multimèriques qui se lient à la<br />chromatine au niveau de modules communs appelés modules de mémoire cellulaire (CMM).<br />Les PcG et TrxG régulent l'expression de nombreux gènes dont les plus étudiés sont les gènes<br />homéotiques. Aujourd'hui, si les différents acteurs de la mémoire cellulaire commencent à<br />être bien connus, plusieurs questions restent posées. Quels sont les moyens de recruter<br />spécifiquement les PcG et TrxG sur leurs cibles ? Quels sont les mécanismes moléculaires qui<br />permettent le maintien de cette mémoire ? Quels sont les gènes cibles ? Est-ce que les<br />mécanismes d'action que nous étudions au niveau des gènes homéotiques sont communs à<br />l'ensemble des gènes régulés par les PcG et TrxG ?<br />Notre équipe travaille sur une protéine à boîte HMG de drosophile : DSP1 (Dorsal<br />Switch Protein 1). L'étude d'un mutant nul dsp11 a montré que la protéine intervient dans la<br />régulation des gènes homéotiques. Par ailleurs, des études d'interactions génétiques et des<br />expériences de digestion à la DNase I montrent que DSP1 est un facteur de remodelage de la<br />chromatine qui agit suivant le locus considéré en synergie avec les protéines des groupes PcG<br />ou TrxG. DSP1 fait donc partie des protéines qui participent à la mémoire cellulaire.<br />Le travail de thèse que nous présentons ici a pour objectif la recherche des gènes cibles<br />de DSP1 et du rôle de cette protéine dans la régulation de l'expression de ces gènes. Nous<br />avons identifié des cibles préférentielles de DSP1 sur l'ensemble du génome par la technique<br />d'immunoprécipitation de la chromatine pontée (ChIP). Nous avons étudié le rôle de DSP1<br />sur l'une de ces cibles, le CMM Fab-7 dont l'activité régule le gène homéotique<br />Ultrabithorax. Au cours de cette étude nous montrons par des expériences de transgenèse que<br />DSP1 est indispensable au fonctionnement du CMM. Le recrutement des protéines PcG et<br />TrxG sur les CMM reste mal connu. La fixation de DSP1 sur le CMM Fab-7 est essentielle au<br />recrutement des PcG. Ainsi nous montrons pour la première fois que DSP1 est un recruteur<br />précoce de ces protéines suivant le locus considéré au cours de l'embryogenèse. Au contraire,<br />nous montrons que DSP1 intervient tardivement dans l'activation du gène homéotique Sex<br />combs reduced. Dans ce cas, la protéine n'est essentielle qu'au cours de la vie larvaire. Enfin,<br />nous montrons que DSP1 régule l'expression du gène de segmentation knirps et est impliquée<br />dans l'établissement de son profil d'expression plutôt que dans son maintien.<br />161<br />Les protéines des groupes Polycomb (PcG) et Trithorax (TrxG) établissent une<br />mémoire cellulaire en maintenant l'état transcriptionnel de nombreux gènes par un<br />remodelage de la chromatine. Chez la drosophile, ces protéines agissent au sein de complexes<br />multimériques qui se lient à des unités fonctionnelles appelées Modules de Mémoire<br />Cellulaire (CMM). Quels sont les gènes cibles des protéines PcG/TrxG ? Quels sont les<br />moyens de recruter spécifiquement ces protéines ? Sont deux questions auxquelles nous avons<br />voulu répondre. Notre équipe travaille sur une protéine à boîtes HMG de drosophile : DSP1.<br />L'objectif du travail que nous présentons ici est de rechercher des gènes cibles de DSP1 et son<br />rôle dans la régulation de l'expression de ces gènes. Plusieurs cibles ont été identifiées par la<br />technique d'immunoprécipitation de la chromatine pontée (ChIP). Nous avons étudié le rôle<br />de DSP1 sur le CMM Fab-7 qui régule le gène Ultrabithorax. Nous montrons par des<br />expériences de transgenèse que la fixation de DSP1 est indispensable à l'activité du CMM.<br />Par ailleurs, nous montrons pour la première fois que DSP1 est un recruteur précoce des<br />protéines PcG. Nous montrons également que DSP1 intervient en tant que protéine du groupe<br />TrxG dans l'activation du gène Sex combs reduced. Dans ce cas, DSP1 est essentielle au cours<br />de la vie larvaire. Enfin, nous montrons que DSP1 régule l'expression du gène knirps et<br />participe à l'établissement de son profil d'expression plutôt qu'à son maintien.

<p>Menin is a tumour suppressor protein associated with the MEN1 hereditary cancer syndrome. Numerous protein interactions have been identified for menin but its specific function in tumour suppression remains enigmatic. Since the protein is well conserved, the <em>Drosophila</em> model system was used to study menin protein interactions in hopes of further elucidating menin function. In this study, two menin protein interactions were examined; the first was a novel interaction with <em>Drosophila</em> fas-associated death domain (dFADD), an important protein in innate immune signalling and the second was a conserved interaction with Trithorax (Trx), a histone methyltransferase important for activation of gene expression. Both these interactions were confirmed through co-immunoprecipitation in <em>Drosophila</em> S2 cells. Unlike <em>dFADD</em> mutants that are highly susceptible to bacterial infection, <em>Mnn1</em> mutants display normal resistance, suggesting that menin does not play an essential role in innate immune signalling. Moreover, <em>dFADD</em> mutants do not display a heat shock sensitivity phenotype, as previously reported for <em>Mnn1</em> mutants. The importance of the menin-Trx interaction in the regulation of heat shock gene expression was examined since both proteins were independently shown to be necessary for proper expression of <em>hsp70</em>. Chromatin immunoprecipitation analyses demonstrate that menin and Trx co-localize in the coding region of <em>hsp70</em>. Heat shock results in a loss of menin and an increase in Trx localization at <em>hsp70</em> and the proteins fail to co-immunoprecipitate with prolonged heat stress, suggesting a complex regulation of the interaction. Due to the recently identified interactions between mammalian menin and proteins of the insulin signalling pathway, a potential role for <em>Drosophila</em> menin in this pathway was examined. <em>Mnn1</em> mutants display increased desiccation and starvation resistance, similar to other positive regulators of insulin signalling. Overall, this thesis describes a novel interaction between menin and dFADD and a conserved interaction with Trx and also proposes a potential role for menin in the <em>Drosophila</em> insulin signalling pathway.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Le facteur ULTRAPETALA1 (ULT1) est impliqué dans plusieurs processus développementaux chez Arabidopsis thaliana, dont le maintien de l'homéostasie des méristèmes aériens et la morphogénèse florale. ULT1 est en particulier essentiel à la restriction du territoire d'expression de WUSCHEL (WUS), acteur central du maintien de l'identité des cellules souches. ULT1 est également déterminant dans l'activation spatio-temporelle d'AGAMOUS (AG), gène clé du développement floral, nécessaire à la croissance déterminée de la fleur. Néanmoins les mécanismes moléculaires impliqués dans le fonctionnement d'ULT1 n'ont pas tous été élucidés, notamment la nature de ses partenaires protéiques lui assurant sa spécificité de liaison à l'ADN. Les objectifs du travail de thèse ont été (i) d'identifier de nouveaux interacteurs d'ULT1 et (ii) de caractériser la fonction moléculaire et développementale de l'un d'entre-eux. Par des approches génétique, moléculaire et biochimique, nous avons identifié le répresseur transcriptionnel ULT1 INTERACTING FACTOR 1 (UIF1) et caractérisé sa fonction dans le contrôle de l'activité du méristème floral chez Arabidopsis thaliana. UIF1 est en particulier capable de lier spécifiquement une séquence promotrice du gène WUS. Par cette étude nous apportons un mécanisme pour la reconnaissance spécifique de ses cibles par ULT1. Par une approche gènes candidats, nous avons identifié de nouveaux interacteurs d'ULT1, pouvant expliquer (i) son effet sur le retrait de marques chromatiniennes maintenant un locus inactif (interaction avec la déméthylase RELATIVE OF EARLY FLOWERING 6); (ii) sa fonction trithorax activatrice (interaction avec ARABIDOPSIS TRITHORAX LIKE I); et enfin (III) son rôle dans l'initiation de la transcription de gènes cibles (interaction avec le domaine C-terminal de l'ARN Polymérase II). Ces données positionnent ULT1 à l'interface entre dé-répression chromatinienne et initiation transcriptionnelle. / The ULTRAPETALA1 (ULT1) factor is involved in several developmental processes during Arabidopsis thaliana life cycle such as the homeostasis maintenance at aerial meristems and floral morphogenesis. In particular, ULT1 is critical to the restriction of the expression territory of WUSCHEL (WUS), a central player in stem cell maintenance. ULT1 is also essential for the spatio-temporal activation of AGAMOUS (AG), a key floral developmental gene necessary to flower determinate growth. Nevertheless, the molecular mechanisms through which ULT1 functions haven't all been solved yet, including the nature of its protein partners assuring its binding specificity to DNA targets. The objectives of this thesis were (i) to identify new ULT1 interactors and (ii) to characterize the molecular and developmental function of one of them. By genetic, molecular and biochemical approaches, we identified the ULT1 INTERACTING FACTOR 1 (UIF1) transcriptional repressor and characterized its function in the control of floral meristem activity in Arabidopsis thaliana. In particular, UIF1 is able to specifically bind a promoter sequence in the WUS gene. With this study we provide a mechanism for specific recognition of target genes by ULT1. By a candidate gene approach, we identified novel ULT1 partners, which may explain (i) ULT1 effect on removal of chromatin repressive marks that maintain a locus in an inactive state (interaction with the demethylase RELATIVE OF EARLY FLOWERING 6); (ii) the ULT1 activating trithorax function (interaction with ARABIDOPSIS TRITHORAX LIKE I); and finally (iii) ULT1 role in the transcriptional initiation of target genes (interaction with the C-terminal domain of RNA Polymerase II). This dataset reveals a function for ULT1 at the interplay between chromatin de-repression and transcriptional initiation.

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