L’anémie de Fanconi (AF) est une maladie récessive rare associée à un défaut dans la voie de réparation des cassures double-brin de l’ADN causées par des agents pontants (voie de l’AF). Ces agents pontant l’ADN créent un lien covalent entre les deux brins et bloquent les polymérases lors de la réplication ou de la transcription. Mon projet s’intéresse à une protéine importante de la voie de l’AF : FANCI. Celle-ci est décrite comme agissant de pair avec la protéine FANCD2 pour recruter la machinerie de réparation de l’ADN. Nous posons l’hypothèse que FANCI a un rôle important lors du développement, lors de la méiose et est impliquée dans la résistance des cellules aux aldéhydes. Suite à la création d’un modèle murin déplété en FANCI, nous avons effectué des essais comportementaux de mémoire ou d’anxiété pour caractériser le modèle plus en profondeur. Ensuite, des résultats de coupes histologiques de gonades ont mené à la confirmation de la stérilité des souris KO. Plus spécifiquement, un étalage de chromosomes méiotiques et une immunofluorescence ont été effectués pour vérifier la localisation de FANCI sur ces derniers. De plus, le traitement à la mitomycine C (agent pontant) de cellules embryoniques conférant une instabilité génomique, nous avons voulu tester l’effet d’une source endogène, les aldéhydes, sur des cellules déplétées en FANCI. Nous avons observé les foyers des protéines 53BP1 et γ-H2AX pour vérifier l’accumulation de cassures double-brin. Les essais comportementaux montrent une tendance non significative. Une co-localisation de FANCI avec le marqueur de résection RPA est observée. De plus, la déplétion de FANCI rend les cellules résistantes aux aldéhydes. Les foyers 53BP1 et γ-H2AX montrent qu’une petite population de ces mêmes cellules a un nombre très élevé de dommages à l’ADN alors que d’autres ont un niveau de dommages similaire au contrôle. / Fanconi anemia (FA) is a rare recessive disease associated with a defect in the pathway of DNA double strand breaks repair (FA pathway). These double stranded breaks are caused by crosslinking agents by creating a covalent bond between the two opposite strands and blocking polymerases during DNA replication or transcription. My project’s principal interest is a major protein it this pathway : the FANCI protein. It is described as acting together with FANCD2 protein to recruit DNA repair machinery. We hypothesised that FANCI has an important role in development, in meiosis and that it is implicated in cells’ aldehydes resistance. After the creation of a mouse model depleted in FANCI, with did anxiety and memory behavior tests to deeply characterize our mouse model. Also, results of gonad histologic cuts confirmed mouse sterility. More specifically, we did a meiotic spread and immunofluorescence to see FANCI on meiotic chromosomes. We also treated embryonic fibroblasts with mitomycin C, an exogenous crosslinking agent, and then wanted to check with an endogenous source, like aldehydes, on FANCI depleted human cells. We also observed 53BP1 and γ-H2AX foci formation to check for double strand break accumulation. Behavior tests do not show any significative tendancy. We observe a colocalization between FANCI and the resection marker RPA. Moreover, FANCI depletion gives an aldehyde resistance to cells. 53BP1 and γ-H2AX foci show a population of cells with a very high level of foci and others that have the same amount of foci as the control cells.

Les insectes ravageurs sont un fléau pour les forêts canadiennes, causant de lourdes pertes en termes de récoltes commerciales. L'un des plus importants ravageurs forestiers au Canada est la chenille de la tordeuse des bourgeons de l'épinette, Choristoneura fumiferana, laquelle contracte une infection au polydnavirus TrIV (Tranosema rostrale ichnovirus) lorsqu'elle est parasitée par la guêpe T. rostrale. TrIV entraîne alors un arrêt du développement chez ces chenilles, prolongeant leur vie larvaire et permettant ainsi aux oeufs et aux larves du parasitoïde de compléter leur croissance à l'intérieur de la larve parasitée. Le génome segmenté à ADN double-brin de TrIV contient huit familles de gènes connues, dont la famille TrV qui compte sept membres et qui semble unique au virus TrIV. Dans le cadre d'une analyse fonctionnelle des gènes de la famille TrV, j'ai évalué par qPCR à partir d'ARN totaux de C. fumiferana et de T. rostrale, l'abondance des transcrits de chacun des sept gènes chez des chenilles parasitées en fonction du temps et du site de transcription (tissu) ainsi que dans des ovaires de guêpes et chez des guêpes mâles. De plus, j'ai quantifié les segments génomiques portant les gènes de la famille TrV. Je démontre ici que l'expression de la plupart des gènes de cette famille atteint son maximum, chez la larve hôte, autour du troisième jour après la ponte, suivi par une diminution de la transcription. Le gène TrVl est le plus fortement transcrit, suivi de TrV2 et TrV7, autant chez des larves entières que dans des tissus spécifiques. Parmi ces tissus, l'abondance des transcrits est généralement plus élevée dans 1'epithelium cuticulaire que dans les autres tissus échantillonnés. Chez la guêpe, les transcrits de certains gènes de la famille TrV sont détectables dans l'ovaire, mais leur abondance est marginale lorsque comparée à celle mesurée chez les larves parasitées. Dans le génome de TrIV, une proportion plus grande des segments génomiques portant le gène TrVl semble en partie responsable de niveaux plus élevés de ses transcrits chez la larve parasitée. La forte expression des gènes TrVl, TrV2 et TrV7 dans les larves parasitées ainsi que leur présence négligeable dans les ovaires de guêpe, suggèrent qu'ils pourraient être impliqués dans l'induction de l'arrêt de développement chez l'hôte, suite à l'infection par le virus TrIV. Le gène TrV4 étant plus faiblement transcrit que ceux mentionnés précédemment, mais plus hâtivement, pourrait jouer un rôle dans l'évitement passif à la réponse immunitaire de l'hôte.

Les récents progrès en génomique ont conforté la complexité de l’origine des algues; d’un point de vue de la phylogénie des hôtes de l’endosymbiose, les algues forment un groupe évolutif polyphylétique. Les algues vertes forment deux embranchements majeurs : les Streptophyta et les Chlorophyta. Les chlorophytes comprennent la majorité des algues vertes connues et se regroupent en quatre classes. La première, les Prasinophyceae, occupe la position la plus basale, tandis que l’ordre d’embranchement des trois autres classes (Ulvophyceae, Trebouxiophyceae et Chlorophyceae) demeure encore incertain. Pour clarifier les relations évolutives chez les Clorophyceae, huit génomes chloroplastiques appartenant à la lignée des Chlamydomonadales, lignée majeure des Chlorophyceae, ont été séquencés et analysés. Des études phylogénétiques ont confirmé les classifications préétablies et de nouveaux clades se sont vus formés. Les génomes de ces algues chlorophycéennes ont révélé une architecture conservée avec un certain nombre de caractères spécifiques à la classe des Chlamydomonadales. L’analyse de leurs caractères moléculaires a révélé des génomes marqués par la réduction ou le réarrangement de leur répertoire génomique comparativement aux génomes chloroplastiques des algues vertes plus ancestrales. / Recent advances in genome sequencing and analysis have reinforced the complexity of the origin of the green algae. From the point of view of a host endosymbiotic phylogeny, green algae form a polyphyletic evolutionary group. Green algae form two major branches : the Streptophyta and Chlorophyta. Chlorophytes include the majority of green algae known and they are grouped into four classes. The first, that of Prasinophyceae, occupies the most basal position, while the branching order of the other three classes (Ulvophyceae, Trebouxiophycea and Chlorophyceae) remain uncertain. To clarify the evolutionary relationships amongst Chlorophyceae, eight chloroplast genomes belonging to the lineage of Chlamydomonadales, a major clade of Chlorophyceae were sequenced and analyzed. Phylogenetic studies have confirmed the pre-established classifications and new clades were seen to be formed. The genomes of these chlorophyll algae were revealed to be conserved with a number of specific architectural characters of the Chlamydomonadales class. Analysis of their molecular characteristics revealed a genome marked by the reduction or rearrangement of their genomic repertory compared to chloroplast genomes of the ancestral green algae.

L’hypertension artérielle pulmonaire (PAH) est une condition clinique rare caractérisée par une augmentation progressive de la résistance vasculaire pulmonaire menant à une défaillance cardiaque droite. Sur le plan histologique, plusieurs processus coexistent au sein des artères pulmonaires, notamment de l’inflammation, une vasoconstriction et un remodelage vasculaire. Ce dernier est principalement la conséquence d’une prolifération incontrôlée des cellules musculaires lisses (PASMC) résidentes et d’une résistance à l’apoptose de celles-ci. À ce titre, la PAH présente de fortes similitudes avec le cancer. En dépit d’une augmentation des connaissances des mécanismes physiopathologiques et des progrès dans la prise en charge des patients, cette maladie demeure toujours incurable avec un taux de survie de 60% à 5 ans. Il est donc nécessaire de trouver de nouvelles avenues thérapeutiques pour ces patients. Plusieurs stress environnementaux sont présents dans la PAH, notamment l'inflammation, le stress de cisaillement et la pseudo-hypoxie. Malgré ces conditions favorisant les dommages à l’ADN, les cellules vasculaires sont prolifératives et résistantes à l’apoptose. Par des études translationnelles basées sur des tissus humains, nous avons mis en évidence le rôle du dommage à l’ADN et des mécanismes épigénétiques dans la physiopathologie de la PAH. De par ses similitudes avec le cancer, nous nous sommes d’abord intéressés à la poly(ADPribose) polymérase 1 (PARP-1), une enzyme clé dans les processus de réparation de l’ADN et dans le contrôle de la survie cellulaire. Dans le chapitre 2, nous montrons que les poumons, les artères pulmonaires et les PASMC isolées de patients atteints de PAH présentent davantage de dommages à l’ADN et une surexpression de PARP-1. De manière intéressante, nous avons montré que PARP-1 pouvait réguler des facteurs de transcription impliqués dans la pathogénèse de la PAH tels que HIF-1α (Hypoxia-inducible factor 1- alpha) et NFAT (Nuclear factor of activated T-cells). La surexpression de PARP-1 entraînait également la diminution d’expression du microARN miR-204, un autre acteur clé de la maladie. L’effet thérapeutique des inhibiteurs de PARP-1 a été évalué dans deux modèles animaux de la PAH. L’administration de ces inhibiteurs a diminué le remodelage vasculaire pulmonaire et amélioré les paramètres hémodynamiques. De plus, l’inhibiteur pharmacologique de PARP-1 était plus efficace que les traitements de première ligne offerts aux patients atteints de PAH. Dans le chapitre 3, nous avons étudié les mécanismes par lesquels PARP-1 était surexprimé dans la PAH. En se basant sur des études dans le cancer et sur des prédictions bio-informatiques, nous nous sommes intéressé au microARN miR-223. Nous avons démontré que miR-223 est diminué au niveau vasculaire pulmonaire et dans les PASMC isolées de patients atteints de PAH. Par une approche bidirectionnelle, nous avons mis en évidence qu’une augmentation de HIF-1α diminue l’expression de miR-223 et que la diminution de miR-223 entraîne une augmentation de PARP-1, ce qui favorise la réparation des dommages à l’ADN. Nous avons montré que la diminution de miR-223 était également associée à une augmentation de la prolifération des PASMC et de la résistance à l’apoptose de celles-ci. Dans un modèle animal de la maladie, nous avons montré que l’augmentation ectopique de miR-223, à l’aide de mimic, permettait d’améliorer les paramètres hémodynamiques pulmonaires et cardiaques. Dans le chapitre 4, nous avons étudié un mécanisme épigénétique en aval de PARP-1 et miR-204. Nous avons montré que le lecteur épigénétique BRD4 (Bromodomain-containing protein 4) était surexprimé dans les tissus pulmonaires de patients atteints de PAH. Les lecteurs épigénétiques se lient aux queues acétylées des histones afin de favoriser la transcription de différents gènes. Dans la PAH, nous avons mis en évidence que BRD4 régule l’expression d’oncogènes impliqués dans la physiopathologie de la maladie, tels que p21, NFAT, Bcl-2 et Survivin. BRD4 régule également le métabolisme mitochondrial des PASMC. Nous avons montré que l’inhibition de BRD4 permettait de diminuer la prolifération, d’augmenter l’apoptose et de restaurer l’activité mitochondriale des PASMC. L’utilisation d’inhibiteurs de BRD4 dans un modèle de rat atteints de PAH a permis de mettre en évidence le potentiel thérapeutique de l’inhibition de ce lecteur épigénétique dans la PAH. En conclusion, ces études ont permis de mettre en lumière de nouvelles voies de signalisation impliquées dans la physiopathologie de la PAH et d’ouvrir la porte à de nouvelles avenues thérapeutiques dans le traitement de cette maladie toujours incurable. / Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare clinical condition characterized by a progressive increase in pulmonary vascular resistance leading to right heart failure and death. Histologically, several processes coexist within the pulmonary arteries, including inflammation, vasoconstriction and vascular remodeling. Remodeling of the pulmonary vessel is due to abnormal and uncontrolled growth of resident pulmonary artery smooth muscle cells (PASMC). As such, PAH exhibits some cancer-like characteristics. In spite of recent progress in understanding the pathophysiological mechanisms involved in disease development and progression, as well as major improvements in symptomatic treatments, no substantial modification in the fatal course of this disease has been achieved. The mean survival rate is about 60% 5 years after diagnosis. Therefore, the identification of new targets has become mandatory. PAH is associated with sustained inflammation, oxidative stress, shear stress and pseudo-hypoxia, all known to promote DNA damage. Despite these unfavorable environmental conditions, PAH PASMC exhibit increased proliferation and resistance to apoptosis. Using a translational approach, we highlighted the role for DNA damage signaling and epigenetic mechanisms in the pathophysiology of PAH. Since PAH shares many hallmarks with cancer, we first studied Poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1), a key enzyme in DNA repair mechanisms and in cell survival in the pathophysiology of PAH. In Chapter 2, we demonstrate that PAH is associated with sustained DNA damage leading to PARP-1 activation. Interestingly, we showed that PARP-1 overexpression triggers the expression and activation of transcription factors known to be implicated in PAH progression, such as HIF-1α (Hypoxia-inducible factor 1-alpha) and NFAT (Nuclear factor of activated T-cells). Overexpression of PARP-1 alsoresulted in decreased expression of microRNA miR-204, another key player in the disease. In animal studies, administration of a clinically available PARP-1 inhibitor decreased PAH in two experimental rat models. In addition, PARP-1 inhibitor was more effective than the first-line treatments offered to patients with PAH. In Chapter 3, we investigated the mechanisms by which PARP-1 was overexpressed in PAH. In silico analyses and studies in cancer demonstrated that miR-223 downregulation triggers PARP-1 overexpression. We provided evidence that miR-223 is downregulated in human PAH lungs, distal pulmonary arteries, and isolated PASMC. Furthermore, using a gain and loss of function approach, we showed that increased HIF-1α (hypoxia-inducible factor 1α), which is observed in PAH, triggers this decrease in miR-223 expression and subsequent overexpression of PARP-1 allowing PAH-PASMC proliferation and resistance to apoptosis. We also demonstrated that restoring the expression of miR-223, by using a mimic, allowed to improve pulmonary and cardiac hemodynamic parameters. In Chapter 4, we investigated epigenetic mechanisms downstream of PARP-1 and miR- 204. Interestingly, the epigenetic reader BRD4 (Bromodomain-containing protein 4) is a predicted target of miR-204 and has binding sites on NFAT’s promoter region. In our study, we showed that BRD4 is upregulated in lungs, distal pulmonary arteries and PASMC of PAH patients. Epigenetic readers bind to acetylated histone tails to promote gene transcription. In PAH, we demonstrated that BRD4 increases the expression of oncogenes involved in PAH pathogenesis, such as NFAT, Bcl-2, p21 and Survivin. BRD4 also regulates mitochondrial metabolism of PASMC. Blocking this oncogenic signature led to decreased proliferation and increased apoptosis of PAH-PASMC in a BRD4-dependant manner. In addition, pharmacological or molecular inhibition of BRD4 reversed established PAH in a rat model of the disease. In conclusion, these studies showed a key role for DNA damage signaling and epigenetic mechanisms in PAH pathophysiology. Our studies also offer new therapeutic perspectives for patients with PAH.

L'empaquetage du génome eucaryote sous forme de chromatine constitue une barrière physique aux facteurs nécessaires à la transcription des gènes, la replication, la recombinaison et la réparation de l'ADN. Les eucaryotes ont développé différents mécanismes par lesquels la structure de la chromatine et sa composition peuvent être manipulées afin de contrôler l'accès à l'ADN. Il s'agit notamment de modifications covalentes des histones, le remodelage ATP-dépendant des nucléosomes et l'incorporation de variants d'histones. Le but initial de ma thèse était d'étudier les interactions fonctionnelles entre les différents régulateurs de la chromatine. Dotl (Disruptor of telomeric silencing-1) est une histone méthyltransférase qui cible la lysine 79 de l'histone H3 nucléosomale et contribue à l'établissement de la frontière entre l'hétérochromatine et l'euchromatine en bloquant la propagation du complexe SIR. La méthylation par Dotl a été liée à l'élongation de la transcription et est régulée par l'ubiquitination de l'histone H2B. Lors de nos études sur les relations fonctionnelles avec d'autres modifications des histones, nous avons constaté que le domaine N-terminal de l'histone H4, à la différence des autres queues d'histones, est essentiel pour la méthylation de la lysine 79 de H3 par Dotl, tant in vivo que in vitro. La protéine hétérochromatinienne Sir3 lie également la queue de H4 et compétitionne donc avec Dotl pour la même cible moléculaire sur la chromatine, expliquant ainsi le mécanisme d'établissement de frontières chromatiniennes. L'acétylation de l'histone H4 joue également un rôle important dans l'organisation des frontières chromatiniennes et l'incorporation du variant d'histone H2A.Z près des telomeres, un processus catalysé par SWR1, un complexe de remodelage ATP-dépendant. Au niveau de gènes euchromatiniens, l'acétylation de H4 et l'incorporation de H2A.Z se produisent surtout au niveau des promoteurs. Ces deux événements sont importants pour préparer le promoteur du gène PH05 à son activation transacriptionnelle. Nous avons déjà identifié une relation fonctionnelle entre SWR1 et NuA4, un complexe acetyltransferase d'histone essentiel pour la viabilité cellulaire et l'acétylation des histones H4 et H2A. NuA4 et SWR1 montrent de fortes interactions génétiques et nos résultats indiquent qu'ils coopèrent également au niveau des promoteurs des gènes ADE. Fait important, NuA4 affecte l'incorporation de l'histone H2A.Z in vivo et l'acétyle directement à l'intérieur de nucléosomes, in vitro et in vivo. Afin d'analyser la relation fonctionnelle entre NuA4 et SWR1 au niveau moléculaire, nous avons développé un essai d'échange d'histones en utilisant de la chromatine native purifiée et des dimères H2A.Z-H2B recombinants. Nos données indiquent que NuA4 stimule l'échange de dimères d'histones par SWR1, dans une réaction dépandant de l'acétyl-CoA et de l'ATP. En outre, l'acétylation des histones H4 et H2A par NuA4 fonctionnent de façon redondante dans la promotion de l'incorporation de H2A.Z par le complexe SWR1. Pris dans leur ensemble, nos résultats dressent un tableau détaillé de la succession d'événements moléculaires survenant lors de l'établissement des frontières hétérochromatine/euchromatine et mènent à une meilleure compréhension mécanistique de la relation intime et conservée évolutivement entre l'acétylation de la chromatine par le complexe NuA4/TIP60 et l'échange de variants d'histones H2A par le complexe SWRl/p400.

Introduction : L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie caractérisée par une augmentation des pressions pulmonaires menant à une défaillance cardiaque droite. Les cellules musculaires lisses des artères pulmonaires (CMLAP) sont exposées à un niveau de stress accru notamment dû à l’inflammation des tissus et du milieu pseudo-hypoxique. Malgré cet environnement hostile, elles arrivent à proliférer et à survivre. Toutefois, cela entraine une augmentation anormale du dommage à l’ADN. Il existe, cependant, un équilibre entre les dommages à l’ADN et les mécanismes de réparation. PIM1, une onco-protéine à l’activité kinase, est surexprimée en HTAP. Elle est impliquée dans plusieurs voies de signalisation cellulaire, telles la survie et la prolifération, mais la voie de réparation du dommage à l’ADN n’a jamais été explorée en HTAP. De plus, l’inhibiteur de PIM1, le SGI-1776, a été testé en essai clinique en cancer, ainsi l’évaluation de son efficacité pour les patients HTAP pourrait rapidement être mise en place. Objectifs : Évaluer le potentiel thérapeutique du SGI-1776 et élucider l’implication de PIM1 dans la réparation du dommage à l’ADN en HTAP. Méthodes/Résultats : Nous démontrons premièrement que les poumons de patients HTAP (n=10) ainsi que les CMLAP-HTAP (n=5) présentent une surexpression de PIM1. Sur ces mêmes tissus et lignées cellulaires, le précurseur de la reconnaissance des dommages à l’ADN (γH2AX) est également augmenté comparativement aux sujets sains. Ce précurseur est essentiel à l’initiation de la réparation à l’ADN et l’inhibition de PIM1 par SGI-1776 (1,3 et 5μM) diminue la capacité de la réponse au dommage à l’ADN via la voie de la jonction des extrémités non-homologues (NHEJ) : le traitement cause une diminution des facteurs du NHEJ comme Ku70, DNA-PKcs et γH2AX (n=4). Par essai comet, nous démontrons que les dommages sont toujours présents et que ceci diminue la prolifération (Ki67 n=3; p<0.05) et augmente l’apoptose (AnnexinV n=3; p<0.05). In vivo, le SGI-1776 diminue les pressions pulmonaires (n=30, 30±2mmHg vs 49±5mmHg) et diminue le remodelage des artères pulmonaires distales (H&E, 45% vs 65%), ce qui est principalement dû à la restauration de la balance entre la prolifération (Ki67 n=25; p<0.05) et l’apoptose (TUNEL n=25; p<0.05) des artères pulmonaires distales. Conclusion : Nous avons démontré pour la première fois l’implication de PIM1 dans la réparation du dommage à l’ADN en HTAP et que l’inhibition de son activité améliore in vitro et in vivo l’HTAP. / RATIONALE: Pulmonary Arterial Hypertension (PAH) is a fatal disease characterized by the narrowing of pulmonary arteries (PA) due to vascular remodeling. It is now established that this phenotype is associated with enhanced pulmonary artery smooth muscle cells (PASMC) proliferation and suppressed apoptosis. This phenotype is sustained in part by the activation of several DNA repair pathways allowing PASMC to survive despite the environmental stresses seen in PAH. PIM1 is an oncoprotein upregulated in PAH and that has been implicated in many pro-survival pathways in cancer, including DNA repair. PIM1 inhibitors, like SGI-1776, are already in clinical trials in cancer and could thus be beneficial to PAH patients. OBJECTIVES: The aim of this study is to demonstrate the implication of PIM1 in the DNA damage response and the beneficial effect of its inhibition by SGI-1776 in human PAH-PASMC and in rat preclinical model of PAH. METHODS/RESULTS: Using western blot we showed in both human PAH lungs (n=10) and PAH-PASMC (n=5) a significant upregulation of PIM1 compared to control donor (n=5). PIM1 upregulation in PAH was associated with a significant activation of DNA damage sensor (γH2AX), which is critical for DNA repair initiation. We showed that PIM1 inhibition using SGI-1776 (1,3, and 5μM) significantly impaired DNA repair capacity in PASMC (n=4) with a significant repression of Ku70, DNA-PKcs, and γH2AX and decreased ATM expression. We showed no diminution of DNA damage with SGI-1776 treatment (Comet Assay, n=3). As expected, the lack of DNA repair in SGI-1776 treated PAH-PASMC lead to a significant reduction in proliferation (Ki67 n=3; p<0.05) and resistance to apoptosis (AnnexinV assay n=3; p<0.05). In vivo, SGI-1776 10mg*kg-1 given 3 times a week, improves significantly (n=30; p<0.05) monocrotaline-induced PH (decreased RVSP, mean PA pressures and vascular remodeling). CONCLUSION: We demonstrated for the first time that PIM1 is implicated in DNA repair signaling in PAH-PASMC and that repressing its activity everses PAH both in vitro and in vivo.

Les cassures double-brin (CDBs) de l’ADN sont généralement néfastes pour la cellule, toutefois il existe une exception importante à cette règle. Chez la levure et les autres eucaryotes, Spo11 (ou Rec12 chez S. pombe) est décrit comme étant capable de créer des CDBs, bris de l’ADN nécessaire à l’initiation de la recombinaison méiotique. Des analyses génétiques et bioinformatiques ont démontré que les homologues de Spo11 lient l'ADN double-brin sous la forme d’un dimère. Leur activité topoisomérase permet d’ailleurs de cliver l’ADN pour générer des intermédiaires ADN-protéine transitoires et covalents. Cependant, cette observation a été mise en doute par les biochimistes, mais aussi par le fait qu'il est extrêmement difficile de purifier les protéines Spo11 dans des conditions natives. Pour mieux comprendre comment Schizosaccharomyces pombe Spo11 (Rec12) génère des CDBs, nous avons établi un protocole de purification par triple affinité et effectué des essais in vitro permettant de montrer le rôle de Spo11 dans la formation de CDBs. Nous avons également purifié Rec12 - Y98F (mutant catalytique) et Rec12 - G202E (mutant de liaison à l'ADN). La protéine Rec12 s’avère être capable de catalyser la formation de CDBs de l'ADN superenroulé alors que les mutants Rec12-Y98F et Rec12-G202E sont inactivés. En accord avec l'accumulation de Spo11 aux CDBs durant la méiose, nous observons que Rec12 possède plusieurs sites de liaison à l’ADN préférant l'ADN 5'-protubérant à l'ADN 3’-protubérant. Nous avons également analysé biochimiquement le mécanisme par lequel Rec12 est enlevé des CDBs par la nucléase Rad32 (Mre11). Certains des résultats présentés ont été confirmés à l'aide Spo11 humain et de S. cerevisiae. Le rôle des activités endo- et exonuclease du complexe MRE11 - RAD50 - NBS1 (MRN) dans la régulation de la voie de réparation des CDBs par l’utilisation d’inhibiteurs (endo ou exo) spécifiques à la structure de MRE11 sera discuté. En somme, nos résultats démontrent que Rec12 est responsable de la formation de CDBs et que cette activité est régulée par plusieurs domaines de liaison à l'ADN. Cette étude représente une première analyse de la fonction biochimique de Spo11 chez la levure et l’humain dans des conditions natives. / Double-strand breaks are generally harmful to the cell, although there is an important exception to this rule. In yeast and other eukaryotes, Spo11 (or S. pombe Rec12) is known to create double-strand DNA breaks (DSBs), which are important to initiate meiotic recombination. Genetic and bioinformatic analyses proposed that Spo11 homologues bind double-strand DNA as a dimer and cleave the DNA by a topoisomerase-like reaction to generate transient, covalent protein-DNA intermediates. However, this view has been challenged by biochemists, but also by the fact that it is extremely difficult to purify proteins Spo11 under native conditions. To understand how Schizosaccharomyces pombe Spo11 (Rec12) generates double-strand breaks, we established a protocol for triple affinity purification. We performed in vitro assays, reminiscent of the function of Spo11 in DSB formation. The resulting purified Rec12 was pure as judged by Sypro staining. We also purified Rec12-Y98F (catalytic mutant) and Rec12-G202E (DNA binding mutant). Purified Rec12 catalysed double-strand break formation on supercoiled DNA whereas Rec12-Y98F and Rec12–G202E were inactivated. Rec12 showed activity on supercoiled DNA but not in short double-stranded DNA oligonucleotides. We mapped the possible DNA binding motifs on Rec12. Using purified mutants, we biochemically confirmed that Rec12 contains multiple DNA binding sites. Rec12 binds 5’-tailed DNA but not 3’-tailed DNA, which is reminiscent of the accumulation of Spo11 on meiotic DNA double-strand breaks. We also analyzed biochemically how Rec12 is removed from DSBs by the Rad32 (Mre11) nuclease to produce single-strand overhang that can undergo DNA recombination. Some of the results presented were also confirmed using human and S. cerevisiae Spo11. We also discuss how endo- and exonuclease activities of MRE11-RAD50-NBS1 (MRN) complex regulates double-strand break repair pathway choice. By using structure-based designed MRE11 endo- or exonuclease inhibitors we represented here specific nuclease roles in DSB repair. Altogether, our results indicate that Rec12 is responsible for the formation of double-strand breaks, an activity that is regulated by multiple DNA binding sites. This study represents a first glimpse of the biochemical function of yeast or human Spo11 under native conditions.

Cette thèse de doctorat porte dans l’ensemble une étude approfondie sur une technologie émergente pour l’amplification isotherme des acides nucléiques appelée recombinase polymerase amplification (RPA). L’introduction porte une description détaillée sur la RPA. Cette revue de littérature documente et discute les diverses applications de la RPA en soulignant les connaissances actuelles concernant les applications diagnostiques. Malgré la composition complexe de la RPA (6 à 7 protéines dans le même mélange réactionnel), cette dernière s’avère une technologie rapide (générant des résultats &lt; 20 min), spécifique et sensible (détection de l’ordre de quelques copies de génome), et largement appliquée dans différentes disciplines. Ces avantages nous permettent de croire que la RPA possède la flexibilité nécessaire pour être utilisée comme outil de diagnostic rapide des maladies infectieuses en réduisant le temps d’obtention des résultats à moins d’une heure au lieu de 2 à 3 jours avec les tests de cultures standards. En conséquence, il sera possible d’intégrer la RPA dans des plateformes microfluidiques ou laboratoire sur puce qui permettent la préparation d’échantillons, l’amplification et la détection des acides nucléiques des microbes causant des infections. En premier lieu, les travaux de cette thèse ont généré des lignes directrices additionnelles pour la conception des amorces/sondes RPA. En second lieu, nos travaux ont permis de développer un essai diagnostic RPA pour la détection des streptocoques du groupe B, responsables de la septicémie et la méningite chez les nouveau-nés. Cet essai fut le premier à évaluer la performance de la RPA avec des échantillons cliniques humains. Ce test diagnostic RPA a été comparé à une méthode de référence, la réaction en chaîne par polymérase (PCR). Cette démonstration sur des échantillons cliniques nous à inciter à pousser notre étude pour réaliser le dernier objectif de ce projet qui consistait à automatiser la RPA par intégration dans un système microfluidique miniaturisé centripète. Une collaboration avec des experts en génies et en matériaux a permis de générer un dispositif microfluidique appelé blade ainsi de l’instrument impliqué dans l’opération des différentes tâches mécanistiques. Ces résultats préliminaires suggèrent qu’il sera important d’offrir un système automatisé complet applicable au chevet du patient. Par conséquence, il sera possible d’exécuter une analyse complète des agents infectieux en moins d’une heure sans le besoin des procédures complexes de préparation et de transport des échantillons cliniques ni le recours à du personnel qualifié. / This dissertation consists of an exhaustive study on an emerging technology for isothermal amplification of nucleic acids called recombinase polymerase amplification (RPA). The introduction of this thesis is a detailed description of the RPA. This review documents and discusses the various applications of this technology by pointing to the current knowledge about RPA for diagnostic applications. Despite the complex composition of RPA (6 to 7 proteins in the same reaction mixture), the latter was shown to be rapid (generating results in &lt; 20 min), specific and sensitive (detecting few target genome copies), and applied widely in different fields. Based on these advantages, we assume that RPA has a flexibility allowing it to be used for the rapid diagnosis of infectious diseases thus reducing time-to-result to less than an hour. Consequently, it will be possible to integrate RPA in microfluidic platforms providing a lab-on chip system. The first part of this doctoral project generated additional guidelines for RPA primers/probes design to develop specific RPA diagnostic assays. Second, we developed an RPA diagnostic test for the detection of group B streptococci, responsible for sepsis and meningitis in newborns. This assay was the first to evaluate RPA with human clinical samples. This diagnostic test was compared to a reference method, the polymerase chain reaction (PCR). This demonstration with clinical samples served to carry out the final objective of this project that was to automate RPA in a miniaturized microfluidic centripetal system. Collaboration with engineers and experts in materials has generated the microfluidic device called "blade" and the instrument involved in the operation of various mechanistic tasks. These preliminary results suggested that it will be important to provide an automated system applicable at bedside. Consequently, it will be possible to perform a complete analysis of infectious agents in less than an hour without the need for complex procedures for the preparation and transport of clinical specimens or the assistance of qualified personnel.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 septembre 2023) / Les principes de la génétique mendélienne gouvernent l'essentiel de l'évolution des génomes et forment la base de la compréhension moderne de la génétique et de l'évolution. Les gènes encodés sur les chromosomes nucléaires sont répliqués exactement une fois par cycle cellulaire et ségrègent indépendamment durant la méiose. En contrepartie, certaines composantes des génomes eucaryotes échappent aux lois de la génétique mendélienne. Deux classes d'éléments génétiques non-mendéliens ubiquitaires sont les éléments transposables (TEs) et l'ADN mitochondrial (ADNmt). Les TEs sont des séquences capables de se répliquer de manière semi-autonome. Ce cycle de réplication distinct du reste du génome génère des copies additionnelles insérées à de nouveaux locus, formant des familles de séquences répétées. L'ADNmt est un génome cytoplasmique maintenu et exprimé dans les mitochondries qui est essentiel au métabolisme respiratoire. Les ADNmt se répliquent et ségrègent indépendamment du cycle cellulaire, ce qui rend possible l'hétérogénéité intracellulaire (hétéroplasmie) et de la ségrégation mitotique. L'hybridation cause le flux génétique entre des populations séparées et peut survenir entre des populations parentales avec divers degrés de divergence génétique. En raison de leurs dynamiques particulières, les éléments génétiques non-mendéliens peuvent avoir des conséquences profondes dans un contexte d'hybridation. Par exemple, les TEs peuvent être réactivés chez les hybrides en raison d'incompatibilités au niveau de leur régulation, menant à des effets délétères. L'évolution rapide des ADNmt entraîne une accélération de la coévolution avec les gènes du génome nucléaire, ce qui favorise l'émergence d'incompatibilités génétiques mitonucléaires qui peuvent compromettre les fonctions métaboliques mitochondriales chez les hybrides. Un objectif fondamental est d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique des éléments génétiques non-mendéliens en réponse à l'hybridation, particulièrement en fonction du degré de divergence évolutive séparant les génomes parentaux d'un génotype hybride. Notamment, une prédiction est qu'un plus haut degré de divergence renferme un potentiel supérieur pour les incompatibilités génétiques pouvant affecter les éléments génétiques non-mendéliens. Mes travaux de doctorat se concentrent sur l'évolution des TEs et des ADNmt dans les hybrides d'une espèce eucaryote modèle, la levure Saccharomyces paradoxus. Elle est l'espèce sœur de la levure Saccharomyces cerevisiae, qui est un modèle fondamental en biologie cellulaire, en génétique et en génomique. S. paradoxus est une espèce non-domestiquée structurée en plusieurs populations naturelles divergentes en Amérique du Nord, incluant des populations hybrides. La caractérisation des éléments génétiques non-mendéliens dans les populations naturelles permet d'inférer certains aspects de leur dynamique évolutive passée et récente. Une approche complémentaire est un type d'évolution expérimentale en laboratoire appelé accumulation de mutations (MA), qui minimise l'efficacité de la sélection naturelle et permet de caractériser l'évolution neutre des génomes. Le premier chapitre de ma thèse a testé l'hypothèse selon laquelle les populations hybrides accumulent davantage de TEs que leurs populations parentales. La caractérisation du contenu génomique en TEs dans les populations naturelles de S. paradoxus n'a révélé aucune trace de réactivation chez les hybrides. Nous avons réalisé une expérience d'évolution par MA à large échelle sur une diversité de génotypes hybrides entre les populations naturelles de S. paradoxus et S. cerevisiae. Cette expérience a montré que le degré de divergence entre les parents d'un hybride ne prédit pas le changement d'abondance des TEs. Le second chapitre de ma thèse a caractérisé la charge en TEs dans les lignées MA avec une grande résolution par l'emploi d'une technologie de séquençage à longues lectures. Ces données ont montré que la transposition a un rôle mineur dans l'évolution de la charge en TEs comparativement à d'autres formes de variation génomique structurale. Des essais de transposition in vivo ont montré que la mobilisation des TEs varie en fonction de plusieurs aspects spécifiques aux génotypes hybrides individuels. Le troisième chapitre de ma thèse a caractérisé la résolution de l'hétéroplasmie mitochondriale dans les lignées MA. Les résultats ont montré que le taux de recombinaison des ADNmt n'est pas prédit par le degré de divergence parentale des hybrides. Le taux de larges délétions mitochondriales causant la perte de fonction du métabolisme respiratoire était corrélé positivement avec le degré de divergence parentale, suggérant l'existence d'incompatibilités génétiques menant à l'instabilité de l'ADNmt. Ces travaux soulignent plusieurs aspects contre-intuitifs de la dynamique des éléments génétiques non-mendéliens chez les hybrides, notamment l'absence fréquente de relation avec la divergence parentale et des effets hautement spécifiques à certains génotypes hybrides individuels. / The principles of mendelian genetics govern the largest part of the evolution of genomes and constitute the basis of the modern understanding of genetics and evolution. Genes encoded on nuclear chromosomes are replicated exactly once per cell cycle and segregate independently during meiosis. In contrast, many components of eukaryotic genomes escape the laws of mendelian genetics. Two classes of ubiquitous non-mendelian genetic elements are transposable elements (TEs) and mitochondrial DNAs (mtDNAs). TEs are sequences capable of semi-autonomous replication. This replication cycle distinct from the rest of the genome generates additional copies at new insertion loci, creating families of repeated sequences. MtDNAs are cytoplasmic genomes maintained and expressed within mitochondria that are essential for respiratory metabolism. MtDNAs replicate and segregate independently from the cell cycle, which enables intracellular heterogeneity (heteroplasmy) and mitotic segregation. Hybridization causes gene flux between distinct populations, which can be separated by various levels of parental genetic divergence. Because of their singular dynamics, non-mendelian genetic elements can have profound consequences in the context of hybridization. For instance, TEs can be reactivated in hybrids as a consequence of incompatibilities in their regulation, leading to deleterious effects. The rapid evolution of mtDNAs accelerates the coevolution with interacting nuclear-encoded genes, which favors the emergence of mitonuclear genetic incompatibilities that can compromise mitochondrial metabolic functions in hybrids. A fundamental objective is to gain a better understanding of the dynamics of non-mendelian genetic elements in response to hybridization, especially as a function of the level of evolutionary divergence between the parental genomes of a hybrid genotype. Notably, one prediction is that higher divergence levels have superior potential for genetic incompatibilities that can affect non-mendelian genetic elements. The work presented in this thesis focuses on the evolution of TEs and mtDNAs in hybrids of a model eukaryotic species, the yeast Saccharomyces paradoxus. It is the sister species of the yeast Saccharomyces cerevisiae, a fundamental model species for cell biology, genetics and genomics. S. paradoxus is an undomesticated species structured in many divergent natural populations in North America, including many hybrid populations. The characterization of non-mendelian genetic elements in natural populations allows to infer certain aspects of their past and recent evolutionary dynamics. One complementary approach is a type of experimental evolution termed mutation accumulation (MA), which minimizes the efficiency of natural selection and enables the characterization of neutral genome evolution. The first chapter of my thesis tested the hypothesis stating that hybrid populations accumulate more TEs than their parental populations. The characterization of genomic TE content in natural populations of S. paradoxus revealed no evidence for reactivation in hybrids. We performed a large-scale evolution experiment by MA on a diversity of hybrid genotypes between natural populations of S. paradoxus and S. cerevisiae. This experiment showed that parental divergence levels cannot predict the resulting change in TE abundance. The second chapter of my thesis decomposed the TE load in MA lines at a high resolution with a long-read sequencing technology. These data showed that transposition has a minor role in TE load evolution in comparison to other types of structural genomic variation. In vivo transposition assays showed that TE mobilization is modulated by many aspects specific to individual hybrid genotypes. The third chapter of my thesis characterized the resolution of mitochondrial heteroplasmy in MA lines. The results showed that the recombination rate of mtDNAs is not predicted by the level of parental divergence in hybrids. The rate of large mtDNA deletions causing the loss of function of respiratory metabolism was positively correlated with the level of parental divergence, suggesting the existence of genetic incompatibilities leading to mtDNA instability. This work highlights many counter-intuitive aspects of the dynamics of non-mendelian genetic elements in hybrids, including the frequent absence of a relationship with parental divergence levels and effects that were highly specific to certain individual hybrid genotypes.

À l'heure actuelle, la détection efficace et abordable des maladies infectieuses est considérée par l'organisation mondiale de la santé comme l'enjeu du développement biotechnologique le plus critique pour l'amélioration de la santé humaine et animale. À ce propos, plusieurs approches ont été proposées mais la plupart d'entre elles se basent sur la technique communément appelée PCR (Polymerase Chain Reaction). Une méthode de détection développée dans notre laboratoire est basée sur la réponse d'un biocapteur le poly(3-alkoxy-4-méthylthiophène) à son environnement. La particularité de ce biocapteur réside dans sa susceptibilité à reconnaître l'événement d'hybridation d'une chaîne d'ADN et à le traduire en un signal mesurable (optique, électrochimique...). Parallèlement à nos travaux de détection de l'ADN, une étude plus approfondie a été menée sur certains facteurs inhérents aux molécules d'ADN tels que la longueur de la chaîne d'ADN (sonde et cible), ainsi que l'enchaînement de la séquence d'ADN. Cette étude a été réalisée principalement par des techniques de colorimétrie (UV-visible) et de mesure de la fluorescence. Cette dernière à montre que l'hybridation se fait très difficilement lorsqu'on a une différence de longueur entre les deux brins d'ADN et que l'intensité de fluorescence change d'une séquence à l'autre.