L’ubiquitination est une modification post-traductionnelle des protéines qui consiste à attacher, d’une manière covalente, le groupement ubiquitine sur un résidu lysine de la protéine cible. Cette modification peut avoir un impact considérable sur la fonction, la localisation et la stabilité de ces cibles. Une fois établie par des enzymes appelées E3 ligases, l’ubiquitination peut être enlevée par des enzymes spécifiques appelées déubiquitinases, modulant ainsi les effets causés par cette modification. BAP1 (BRCA1-Associated Protein 1) est une déubiquitinase de la famille des UCH (Ubiquitin C-terminal Hydrolases) qui a été initialement identifiée comme partenaire du suppresseur de tumeurs BRCA1 (BReast Cancer Associated gene 1). De nombreux groupes de recherche, incluant le nôtre, ont montré que BAP1 est associée avec d’autres cofacteurs formant un large complexe multiprotéique. Ce dernier est impliqué dans plusieurs processus cellulaires comme la transcription des gènes, la régulation de la chromatine, la coordination du cycle cellulaire et la réponse aux dommages à l’ADN. La cible majeure de BAP1 est l’histone H2A ubiquitinée sur la lysine 119, une marque d’histone qui a été souvent associée avec une conformation répressive de la chromatine. Quels sont les mécanismes régulant le complexe BAP1 lui permettant d’exécuter ces fonctions biologiques? Cela implique-t-il des modifications post-traductionnelles touchant les partenaires de BAP1 ? Ces questions restent encore sans réponse définitive. Ainsi, les objectifs de cette thèse sont de caractériser le mécanisme et la fonction du complexe BAP1 en étudiant les modifications post-traductionnelles de ses partenaires. Pour répondre à ces questions nous avons étudié les modifications post-traductionnelles touchant BAP1 et ses cofacteurs mutuellement exclusifs ASXL1 et ASXL2 (Additional Sex Comb-like 1,2). Nous avons démontré qu’ASXL1 et ASXL2 sont monoubiquitinés uniquement lorsqu’ils sont associés à BAP1. Sachant que les complexes BAP1/ASXLs sont conservés au cours de l’évolution, nous avons aussi démontré que la monoubiquitination des ASXLs est conservée chez la Drosophile. En utilisant des méthodes de déplétion de protéines par siARN et CRISPR/Cas9 ainsi que des mutants de perte de fonction de BAP1 et ASXL2, nous avons identifié les enzymes responsables de la monoubiquitination des ASXLs ainsi que leur effet sur l’activité catalytique de BAP1. D’autre part, nous avons étudié le développement chez la Drosophile ainsi que le cycle cellulaire des cellules humaines pour identifier la fonction biologique de la monoubiquitination de ASXL2. Nos résultats démontrent que la monoubiquitination d’ASXL2 sur la lysine 370 en présence de BAP1 est une modification post-traductionnelle conservée et catalysée directement par la famille UBE2Es des enzymes de conjugaison de l’ubiquitine (UBE2E1,2,3 chez les mammifères et UbcD2 chez la Drosophile). Cette monoubiquitination stimule l’activité catalytique de BAP1 chez les mammifères et de son orthologue Calypso chez la Drosophile envers H2Aub. Le blocage de la monoubiquitination des ASXLs par des mutations ciblant la lysine K370 induit une inhibition de l’activité de BAP1, ce qui cause une dérégulation du cycle cellulaire chez les cellules mammifères et une transformation homéotique haltère-aile chez la Drosophile. De plus, il nous a été possible de constater l’importance de cette monoubiquitination dans le cancer en démontrant la forte corrélation d’expression de BAP1/ASXL2 et les UBE2Es au niveau du mésotheliome, un cancer connu pour la dérégulation de BAP1. Nos résultats indiquent l’importance des modifications post-traductionnelles, dont la monoubiquitination, dans la régulation de la fonction et la stabilité du complexe BAP1. De plus, nous décrivons un nouveau mécanisme d’activation d’une deubiquitinase par la monoubiquitination de son cofacteur. D’autres études seront nécessaires afin de comprendre le lien entre l’activation de BAP1/ASXL2 par monoubiquitination et la fonction suppresseur de tumeurs de BAP1 via la deubiquitination d’H2Aub. D’autre part, nous avons fait l’observation que la déplétion de la deubiquitinase associée à la particule régulatrice du protéasome, PSMD14, induit non seulement une réduction drastique d’H2Aub dans la cellule, mais aussi une mort cellulaire rapide. Ceci nous a poussé initialement à investiguer l’implication de l’activité catalytique du protéasome dans la régulation d’H2Aub en lien avec la mort cellulaire. Malgré le fait que nous n’ayons pas trouvé un lien direct entre PSMD14 et la deubiquitination d’H2Aub, nous avons identifié plusieurs candidats (DUBs et E2s) impliqués dans l’induction de la mort cellulaire tout en surmontant une résistance acquise contre des inhibiteurs ciblant l’activité catalytique du protéasome. Ces candidats pourraient représenter des cibles intéressantes pour développer des inhibiteurs spécifiques afin de contrecarrer la résistance aux inhibiteurs du protéasome. / Ubiquitination is a post-translational modification of proteins that involves covalently attaching the ubiquitin moiety to the lysine residues of the target protein. This modification has been reported to have a significant impact on the function, localization and stability of these targets. Once established by enzymes called E3 ligases, ubiquitination can be removed by specific enzymes called deubiquitinases, thus modulating the effects caused by this modification. BAP1 (or BRCA1-Associated Protein1) is a deubiquitinase, from the UCH (Ubiquitin C-terminal Hydrolases) family, that was originally identified as a partner of the BRCA1 (BReast Cancer Associated gene 1) tumor suppressor. We and other research groups have shown that BAP1 is associated with other co-factors forming a multi-protein complex involved in several cellular processes such as gene transcription, chromatin regulation, cell cycle regulation and DNA damage response. The major target of BAP1 is ubiquitinated histone H2A, a histone mark that has been frequently associated with a repressive chromatin conformation. What are the mechanisms regulating the BAP1 complex allowing it to perform its biological functions? Does this involve post-translational modifications affecting BAP1 partners? These questions are still incompletely answered. Thus, the objectives of our studies are to characterize the mechanism and the function of the BAP1 complex by studying the post-translational modifications that could affect its obligate partners including ASXLs. To address these questions, we studied the post-translational modifications affecting BAP1 and its two mutually exclusive co-factors ASXL1 and ASXL2 (Additional Sex Comb-like 1,2). We demonstrated that ASXL1 and ASXL2 are mono-ubiquitinated only when associated with BAP1. Taking into account that the BAP1/ASXLs complexes are highly conserved during evolution, we also demonstrated that the mono-ubiquitination of ASXLs is important for Drosophila development. Using RNAi and CRISPR/Cas9 gene depletion methods and loss-of-function mutants of BAP1 and ASXL2, we identified the precise site of ASXLs ubiquitination, the enzymes responsible for establishing this mono-ubiquitination as well as its effect on catalytic activity of BAP1. On the other hand, we investigated Drosophila development as well as human cell cycle progression to identify the biological function of ASXLs mono-ubiquitination. Our results indicate that the mono-ubiquitination of ASXL2 on lysine 370 in the presence of BAP1 is a conserved post-translational modification catalyzed directly by the UBE2E family of ubiquitin-conjugating enzymes (UBE2E1, 2, 3 in mammals and UbcD2 in Drosophila). This mono-ubiquitination event stimulates the catalytic activity of BAP1 in mammals and its Drosophila ortholog Calypso towards H2Aub in vivo and in vitro. Blocking the mono-ubiquitination of ASXLs, by mutations targeting lysine K370, induces an inhibition of BAP1 catalytic activity causing a deregulation of human cell cycle progression and a haltere-to-wing homeotic transformation in Drosophila. In addition, we were able to assess the importance of ASXLs mono-ubiquitination in cancer using the mesothelioma tumor model, demonstrating a strong correlation between the expression of BAP1/ASXL2 and UBE2Es. Our results indicate the importance of post-translational modifications, including mono-ubiquitination, in the regulation of the function and stability of the BAP1 complex. Moreover, we describe a novel mechanism of activation of a deubiquitinase by the mono-ubiquitination of its co-factor. Further studies will be needed to shed more light on the link between BAP1/ASXLs activation by mono-ubiquitination and the tumor suppressor function of BAP1 via H2Aub deubiquitination. On the other hand, we have noticed that the depletion of PSMD14, a deubiquitinase associated with the proteasome regulatory particle, induces not only a drastic reduction of H2Aub in the cell, but also rapid cell death. This prompted us initially to investigate the involvement of the catalytic activity of the proteasome in the regulation of H2Aub in connection with cell death. Although we did not find a direct link between PSMD14 and H2Aub deubiquitination, we identified several candidates (DUBs and E2s) involved in the induction of cell death while overcoming acquired resistance against proteasome catalytic inhibitors. These candidates may represent attractive targets for developing specific inhibitors to counteract resistance to proteasome inhibitors.

L'ingénierie enzymatique est un outil très avantageux dans l'industrie biotechnologique. Elle permet d'adapter les enzymes à une activité ou à une condition de réaction spécifique. En outre, elle peut permettre de déchiffrer les éléments clés qui ont facilité leur modification. Bien que l'ingénierie enzymatique soit largement pratiquée, elle comporte encore plusieurs goulets d'étranglement. Certains de ces goulets d'étranglement sont techniques, comme le développement de méthodologies pour la création de banques de mutations ciblées ou la réalisation de criblages à haut débit, et d'autres sont conceptuels, comme le déchiffrage des caractéristiques clés pertinentes d'une protéine cible pour la réussite d'un projet d'ingénierie. Parmi ces défis, l'épistasie intra-génique, ou la non-additivité des effets phénotypiques des mutations, est une caractéristique qui entrave grandement la prévisibilité. L'amélioration de l'ingénierie enzymatique nécessite une approche multidisciplinaire qui inclut une meilleure compréhension des relations structure-fonction-évolution. Cette thèse vise à contribuer à l'avancement de l'ingénierie enzymatique en étudiant deux systèmes modèles. Premièrement, des variantes dynamiques de la ß-lactamase TEM-1 ont été choisies pour étudier le lien entre la dynamique des protéines et l'évolution. La ß-lactamase TEM-1 a été largement caractérisée dans la littérature, ce qui s'est traduit par des connaissances approfondies sur son mécanisme de réaction, ses caractéristiques structurelles et son évolution. Les variantes de la ß-lactamase TEM-1 utilisées comme système modèle dans cette thèse ont été largement caractérisées, montrant une dynamique accrue à l'échelle temporelle pertinente pour la catalyse (µs à ms) mais maintenant la reconnaissance du substrat. Dans cette thèse, l'évolution in vitro de ces variantes dynamiques a été réalisée par des cycles itératifs de mutagenèse et de sélection aléatoires pour permettre une exploration impartiale du paysage de ‘fitness’. Nous démontrons que la présence de ces mouvements particuliers au début de l'évolution a permis d'accéder à des voies de mutations connues. De plus, des interactions épistatiques connues ont été introduites dans les variantes dynamiques. Leur caractérisation in silico et cinétique a révélé que les mouvements supplémentaires sur l'échelle de temps de la catalyse ont permis d'accéder à des conformations conduisant à une fonction améliorée, comme dans le TEM-1 natif. Dans l'ensemble, nous démontrons que l'évolution de la b-lactamase TEM-1 vers une nouvelle fonction est compatible avec divers mouvements à l'échelle de temps µs à ms. Il reste à savoir si cela peut se traduire par d'autres enzymes ayant un potentiel biotechnologique. Deuxièmement, la lipase Cal-A, pertinente sur le plan industriel, a été choisie pour identifier les caractéristiques qui pourraient faciliter son ingénierie. La lipase Cal-A présente des caractéristiques telles que la polyvalence du substrat et une grande stabilité thermique et réactivité qui la rendent attrayante pour la modification des triglycérides ou la synthèse de molécules pertinentes dans les industries alimentaire et pharmaceutique. Contrairement à TEM-1, la plupart des études d'évolution in vitro de la lipase Cal-A ont été réalisées dans un but industriel, avec une exploration limitée de l'espace de mutation. Par conséquent, les caractéristiques qui définissent la fonction de la lipase Cal-A restent insaisissables. Dans cette thèse, nous faisons état de la mutagenèse ciblée de la lipase Cal-A, confirmant l'existence d'une région clé pour la reconnaissance du substrat. Cela a été fait en combinant une nouvelle méthodologie de création de bibliothèque basée sur l'assemblage Golden-gate avec une visualisation structurelle basée sur des scripts pour identifier et cartographier les mutations sélectionnées dans la structure 3D. La caractérisation et la déconvolution de deux des plus aptes ont révélé l'existence d'une épistasie dans l'évolution de la lipase Cal-A vers une nouvelle fonction. Dans l'ensemble, nous démontrons que l’identification d'une variété de propriétés suite à la mutagenèse ciblée peut grandement améliorer la connaissance d'une enzyme. Cette information peut être appliquée pour améliorer l'efficacité de l'ingénierie dirigée. / Enzyme engineering is a tool with great utility in the biotechnological industry. It allows to tailor enzymes to a specific activity or reaction condition. In addition, it can allow to decipher key elements that facilitated their modification. While enzyme engineering is extensively practised, it still entails several bottlenecks. Some of these bottlenecks are technical such as the development of methodologies for creating targeted mutational libraries or performing high-throughput screening and some are conceptual such as deciphering the key relevant features in a target protein for a successful engineering project. Among these challenges, intragenic epistasis, or the non-additivity of the phenotypic effects of mutations, is a feature that greatly hinders predictability. Improving enzyme engineering needs a multidisciplinary approach that includes gaining a better understanding of structure-function-evolution relations. This thesis seeks to contribute in the advancement of enzyme engineering by investigating two model systems. First, dynamic variants of TEM-1 ß-lactamase were chosen to investigate the link between protein dynamics and evolution. TEM-1 ß-lactamase has been extensively characterized in the literature, which has translated into extensive knowledge on its reaction mechanism, structural features and evolution. The variants of TEM-1 ß-lactamase used as model system in this thesis had been extensively characterized, showing increased dynamics at the timescale relevant to catalysis (µs to ms) but maintaining substrate recognition. In this thesis, in vitro evolution of these dynamic variants was done by iterative rounds of random mutagenesis and selection to allow an unbiased exploration of the fitness landscape. We demonstrate that the presence of these particular motions at the outset of evolution allowed access to known mutational pathways. In addition, known epistatic interactions were introduced in the dynamic variants. Their in silico and kinetic characterization revealed that the additional motions on the timescale of catalysis allowed access to conformations leading to enhanced function, as in native TEM-1. Overall, we demonstrate that the evolution of TEM-1 b-lactamase toward new function is compatible with diverse motions at the µs to ms timescale. Whether this can be translated to other enzymes with biotechnological potential remains to be explored. Secondly, the industrially relevant Cal-A lipase was chosen to identify features that could facilitate its engineering. Cal-A lipase presents characteristics such as substrate versatility and high thermal stability and reactivity that make it attractive for modification of triglycerides or synthesis of relevant molecules in the food and pharmaceutical industries. Contrary to TEM-1, most in vitro evolution studies of Cal-A lipase have been done towards an industrially-specified goal, with limited exploration of mutational space. As a result, features that define function in Cal-A lipase remain elusive. In this thesis, we report on focused mutagenesis of Cal-A lipase, confirming the existence of a key region for substrate recognition. This was done by combining a novel library creation methodology based on Golden-gate assembly with script-based structural visualization to identify and map the selected mutations into the 3D structure. The characterization and deconvolution of two of the fittest revealed the existence of epistasis in the evolution of Cal-A lipase towards new function. Overall, we demonstrate that mapping a variety of properties following mutagenesis targeted to specific regions can greatly improve knowledge of an enzyme that can be applied to improve the efficiency of directed engineering.

L'encéphalomyélite myalgique (EM) aussi connue sous le nom de syndrome de fatigue chronique est une maladie multi-systémique caractérisée par une fatigue extrême et un malaise post-effort, associés à d’autres symptômes débilitants comme l’intolérance orthostatique et des troubles du sommeil. L’EM se caractérise également par des altérations au niveau du système immunitaire et des perturbations du métabolisme énergétique affectant également le métabolisme des lipides. Dans ce contexte, nous avons exploré la contribution possible de la sphingomyéline phosphodiesterase acide 3b (SMPDL3B), produite par le gène SMPDL3B, dans la pathogénèse de l’EM. Celle-ci est une protéine multifonctionnelle ancrée par un groupement glycophosphatidylinositol (GPI) au niveau de la membrane des cellules. Cette enzyme a suscité notre intérêt compte tenu de son rôle dans la régulation de l'immunité innée et dans la conversion métabolique des sphingolipides en céramides. En effet, des études métabolomiques antérieures ont rapporté une réduction drastique des taux plasmatiques de céramides de 50% chez les hommes et de 86% chez les femmes souffrant d'EM. Nous proposons que l’élévation des niveaux circulants en SMPDL3B contribue à la sévérité de plusieurs symptômes chez les personnes atteintes d’EM (PAEM) via différents mécanismes. Les niveaux plasmatiques en SMPDL3B ont été mesurés par ELISA au niveau d’une cohorte prospective québécoise composée de PAEM (n=147) et de témoins sédentaires appariés pour le sexe et l’âge (n=62) n’ayant aucun antécédent familial d’EM. Nous avons également testé, par la même approche, des échantillons de plasma d’une cohorte norvégienne composée de PAEM (n=141). L’analyse de ces deux cohortes indépendantes a permis de mettre en évidence une corrélation positive entre les taux circulants en SMPDL3B et la sévérité des symptômes des PAEM. Nous avons également observé des niveaux plasmatiques plus élevés chez les PAEM atteints d’intolérance orthostatique lorsque comparés aux PAEM ne présentant pas ce symptôme. Finalement, nous avons confirmé à l’aide de la spectrométrie cellulaire diélectrique que la forme soluble de la protéine SMPDL3B peut se lier avec une haute affinité au récepteur de chimiokines CCR3 présent chez les cellules Jurkat et mis en évidence que l’occupation de ce récepteur par la chimiokine CCL11 ou un antagoniste pharmacologique pouvait augmenter la liaison de la forme soluble de la protéine SMPDL3B vers un autre récepteur membranaire qui demeure pour l’instant inconnu. Ce projet de maîtrise a permis une meilleure compréhension de la pathophysiologie de l’EM et de la contribution de la protéine SMPDL3B (forme ancrée et soluble) dans sa pathogénèse. / Myalgic encephalomyelitis (ME) also known as chronic fatigue syndrome is a multi-systemic disease characterized by extreme fatigue, post-exercise malaise, orthostatic intolerance, and sleep disturbances. ME is also characterized by alterations in the immune system and disturbances in energy metabolism that also affect lipid metabolism. In this context, we explored the possible contribution of sphingomyelin acid phosphodiesterase 3b, produced by the SMPDL3B gene, in the pathogenesis of ME. This is a multifunctional protein anchored by a glycophosphatidylinositol (GPI) group at the cell membrane. This enzyme has intrigued our interest given its role in the regulation of innate immunity and in the metabolic conversion of sphingolipids into ceramides. Indeed, previous metabolomics studies have reported a drastic reduction in plasma ceramide levels by 50% in men and 86% in women with ME. We propose that elevation of circulating levels of SMPDL3B increases the severity of several symptoms in persons with ME (PwME) via different mechanisms. Plasma levels of SMPDL3B were measured by ELISA in a Quebec cohort composed of PwME (n=147) and sedentary controls matched for sex and age (n=62) with no family history of ME. We also tested, by the same method, plasma samples from a Norwegian cohort composed of PwME (n=141). The analysis of these two independent cohorts revealed a positive correlation between SMPDL3B and the severity of PwME symptoms. We also observed higher plasma levels in PwMEs with orthostatic instability when compared to PwMEs without this symptom. Finally, we confirmed using dielectric cell spectrometry that the soluble form of the SMPDL3B protein can bind with high affinity to the CCR3 chemokine receptor present in Jurkat cells and demonstrated that the occupation of this receptor by the chemokine CCL11 or a pharmacological antagonist could increase the binding to another membrane receptor which remains unknown for the moment. This master's project allowed a better understanding of the pathophysiology of ME and the contribution of the SMPDL3B protein in its pathogenesis.

L’infarctus du myocarde (IM) survenant après l’obstruction de l’artère coronaire est la cause principale des décès cardiovasculaires. Après l’IM, le coeur endommagé répond à l’augmentation du stress hémodynamique avec une cicatrice et une hypertrophie dans la région non-infarcie du myocarde. Dans la région infarcie, la cicatrice se forme grâce au dépôt du collagène. Pendant formation de la cicatrice, les cardiomyocytes ventriculaires résidant dans la région non-infarcie subissent une réponse hypertrophique après l’activation chronique due au système sympathique et à l’angiotensine II. La cicatrisation préserve l’intégrité structurale du coeur et l'hypertrophie des cardiomyocytes apporte un support ionotropique. Le canal CaV1.2 joue un rôle dans la réponse hypertrophique après l’IM. L’activation du CaV1.2 déclenche la signalisation dépendante de Ca2+ induisant l’hypertrophie. Cependant, il est rapporté que l’ouverture des canaux potassiques (KATP) ATP sensitifs joue un rôle sélectif dans l’expansion de la cicatrice après IM. Malgré leur expression dans les coeurs mâles, les KATP fournissent une cardioprotection sexe dépendante limitant l’expansion de la cicatrice chez les femelles. L’administration de rapamycine aux rates ayant subi un infarctus produit l’expansion de la cicatrice, soutenant la relation possible entre la cible de rapamycine, mTORC1 et les KATP dans la cardioprotection sexe spécifique. Effectivement, dans les cellules pancréatiques α, la signalisation mTORC1 était couplée à l'activation du KATP. Cependant, le lien entre mTORC1 et les canaux KATP dans le coeur reste inconnu. L'objectif de la thèse est d’examiner le rôle des canaux ioniques dans le remodelage cardiaque post-IM, surtout des canaux calciques dans l'hypertrophie et d'élucider la relation entre les KATP et mTORC1. L’hypothèse première teste que l’hypertrophie médiée par le système sympathique des cardiomyocytes ventriculaires des rats néonataux (NRCM) produit une augmentation de l’influx calcique après une augmentation des sous-unités du CaV1.2. Le traitement de norépinéphrine (NE) quadruple l’amplitude du courant calcique type L et double l’expression protéique des sous unités de CaVα2δ1 et CaVβ3. L’hypertrophie des NRCM au NE s’associe à une augmentation de la phosphorylation de la Kinase ERK 1/2. Le β1-bloqueur metoprolol et l’inhibiteur ii de ERK1/2 diminuent l’effet de NE sur CaVα2δ1. Cependant, l’augmentation de CaVβ3 et de la réponse hypertrophique persiste. Ainsi, le signal β1-adrenergique à travers ERK augmente les sous-unités CaVα2δ1 outre l’hypertrophie. L’autre hypothèse examine la spécificité du sexe sur l’expansion cicatricielle médiée par rapamycine et l’influence de mTOR sur l’expression de KATP. Rapamycin augmente la surface de la cicatrice et inhibe la phosphorylation de mTOR chez les coeurs de femelles. Dans les coeurs des deux sexes, la phosphorylation de mTOR et l’expression de KATP, Kir6.2 et SUR2A sont similaires. Cependant, une grande inactivation de la tubérine et une faible expression de raptor sont détectées chez les femelles. Le traitement à l’ester de phorbol des NRCM induit l’hypertrophie, augmente la phosphorylation de p70S6K et l’expression SUR2A. Le prétraitement par Rapamycine atténue chacune des réponses. Rapamycin démontre un patron d’expansion cicatriciel sexe spécifique et une régulation de phosphorylation de mTOR dans IM. Aussi, l’augmentation de SUR2A dans les NRCM traités par PDBu révèle une interaction entre mTOR et KATP. / Myocardial infarction (MI) secondary to the obstruction of the coronary artery is the main cause of cardiovascular death. Following MI, the damaged heart adapts to the increased hemodynamic stress via formation of a scar and a hypertrophic response of ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium. In the infarcted region, a scar is formed via the rapid deposition of collagen. With ongoing scar formation, ventricular cardiomyocytes in the non-infarcted myocardium undergo a hypertrophic response secondary to the chronic activation by the sympathetic system and angiotensin II. Collectively, scar formation and cardiomyocyte hypertrophy preserve the structural integrity of the heart and provide inotropic support, respectively. CaV1.2 channels play a significant role in the hypertrophic response post-MI. Notably, the activation of CaV1.2 channel triggers Ca2+-dependent signaling that induces hypertrophy. By contrast, the opening of ATP-sensitive potassium (KATP) channels was shown to partake in selective scar expansion following MI. Notwithstanding its expression in male hearts, KATP channels endow a sex-dependent cardioprotection limiting scar expansion selectively in females. Moreover, administration of the macrolide rapamycin to the infarcted female rat heart led to scar expansion, supporting the possible relationship between the target of rapamycin, mTORC1 and KATP channels in providing sex-specific cardioprotection. Indeed, in pancreatic-α cells, mTORC1 signaling was coupled to KATP channel activation. However, whether mTORC1 targets KATP channels in the heart remains unknown. Thus, the AIM of the thesis was to explore the role of ion channels in cardiac remodeling post-MI by specifically addressing the role of Ca channels in cardiomyocyte hypertrophy and elucidate the potential relationship between KATP channels and mTORC1 signaling. The first study tested the hypothesis that hypertrophied neonatal rat ventricular cardiomyocytes (NRVMs) following sympathetic stimulation translated to an increase in calcium influx secondary to the augmentation of CaV1.2 channel subunits. NE treatment led to a 4-fold increase of L-type Ca2+ peak current associated with a 2-fold upregulation of CaVα2δ1 and CaVβ3 protein subunits in hypertrophied NRVMs. The hypertrophic response of NNVMs to NE was associated with the increased phosphorylation of extracellular regulated kinase (ERK1/2). The β1-blocker metoprolol and the ERK1/2 inhibitor suppressed NE-mediated protein upregulation of CaVα2δ1 whereas CaVβ3 upregulation and the hypertrophic response persisted. Therefore, sympathetic mediated β1-adrenergic signaling via ERK selectively upregulated the CaVα2δ1 subunit independent of NRVM hypertrophy. The second study tested the hypothesis that rapamycin-mediated scar expansion was sexspecific and mTOR influenced KATP channel subunit expression. Rapamycin administration translated to scar expansion and inhibited mTOR phosphorylation exclusively in females. In normal adult male and female rat hearts, mTOR phosphorylation and protein levels of KATP channel subunits Kir6.2 and SUR2A were similar. However, greater tuberin inactivation and reduced raptor protein levels were detected in females. NRVMs treated with a phorbol ester induced hypertrophy, increased p70S6K phosphorylation and SUR2A protein levels and rapamycin pretreatment attenuated each response. Thus, rapamycin administration to MI rats unmasked a sex-specific pattern of scar expansion and highlighted the disparate regulation of mTOR phosphorylation. Moreover, rapamycin-dependent upregulation of SUR2A in PDButreated NRVMs revealed a novel interaction between mTOR and KATP channel subunit expression

Les microtubules sont de longs polymères cylindriques de la protéine α, β tubuline, utilisés dans les cellules pour construire le cytosquelette, le fuseau mitotique et les axonèmes. Ces polymères creux sont cruciaux pour de nombreuses fonctions cellulaires, y compris le transport intracellulaire et la ségrégation chromosomique pendant la division cellulaire. Au fur et à mesure que les cellules se développent, se divisent et se différencient, les microtubules passent par un processus, appelé instabilité dynamique, ce qui signifie qu’ils basculent constamment entre les états de croissance et de rétrécissement. Cette caractéristique conservée et fondamentale des microtubules est étroitement régulée par des familles de protéines associées aux microtubules. Les protéines de kinésine-13 sont une famille de facteurs régulateurs de microtubules qui dépolymérisent catalytiquement les extrémités des microtubules. Cette thèse traite d’abord des concepts mécanistiques sur le cycle catalytique de la kinésine-13. Afin de mieux comprendre le mécanisme moléculaire par lequel les protéines de kinésine-13 induisent la dépolymérisation des microtubules, nous rapportons la structure cristalline d’un monomère de kinésine-13 catalytiquement actif (Kif2A) en complexe avec deux hétérodimères αβ-tubuline courbés dans un réseau tête-à-queue. Nous démontrons également l’importance du « cou » spécifique à la classe de kinésine-13 dans la dépolymérisation catalytique des microtubules. Ensuite, nous avons cherché à fournir la base moléculaire de l’hydrolyse tubuline-guanosine triphosphate (GTP) et son rôle dans la dynamique des microtubules. Dans le modèle que nous présentons ici, l’hydrolyse tubuline-GTP pourrait être déclenchée par les changements conformationnels induits par les protéines kinésine-13 ou par l’agent chimique stabilisant paclitaxel. Nous fournissons également des preuves biochimiques montrant que les changements conformationnels des dimères de tubuline précèdent le renouvellement de la tubuline-GTP, ce qui indique que ce processus est déclenché mécaniquement. Ensuite, nous avons identifié la kinésine de microtubule Kif2C comme une protéine associée à des modèles d’ADN imitant la rupture double brin (DSB) et à d’autres protéines de réparation DSB connues dans les extraits d’œufs de Xenope et les cellules de mammifères. Les cassures double brin d’ADN (DSB) sont un type majeur de lésions d’ADN ayant les effets les plus cytotoxiques. En raison de leurs graves impacts sur la survie cellulaire et la stabilité génomique, les DSB d’ADN sont liés à de nombreuses maladies humaines, y compris le cancer. Nous avons constaté que les activités PARP et ATM étaient toutes deux nécessaires pour le recrutement de Kif2C sur les sites de réparation de l’ADN. Kif2C knockout ou inhibition de son activité de dépolymérisation des microtubules a conduit à l’hypersensibilité des dommages à l’ADN et à une réduction de la réparation du DSB via la jonction terminale non homologue et la recombinaison homologue. Dans l’ensemble, notre modèle suggère que les protéines de kinésine-13 peuvent interagir avec les dimères de tubuline aux extrémités microtubules et modifier leurs conformations, moduler l’étendue des extrêmités tubuline-GTP dans les cellules et déclencher le désassemblage des microtubules. Ces deux modèles pourraient être des clés pour démêler les mécanismes impliqués dans le nouveau rôle de Kif2C dans la réparation de l’ADN DSB sans s’associer à des polymères de microtubules. / Microtubules are long, cylindrical polymers of the proteins α, β tubulin, used in cells to construct the cytoskeleton, the mitotic spindle and axonemes. These hollow polymers are crucial for many cellular functions including intracellular transport and chromosome segregation during cell division. As cells grow, divide, and differentiate, microtubules go through a process, called dynamic instability, which means they constantly switch between growth and shrinkage states. This conserved and fundamental feature of microtubules is tightly regulated by families of microtubule-associated proteins (MAPs). Kinesin-13 proteins are a family of microtubule regulatory factors that catalytically depolymerize microtubule ends. This thesis first discusses mechanistic insights into the catalytic cycle of kinesin-13. In order to better understand the molecular mechanism by which kinesin-13 proteins induce microtubule depolymerization, we report the crystal structure of a catalytically active kinesin-13 monomer (Kif2A) in complex with two bent αβ-tubulin heterodimers in a head-to-tail array. We also demonstrate the importance of the kinesin-13 class-specific “neck” in modulating Adenosine triphosphate (ATP) turnover and catalytic depolymerization of microtubules. Then, we aimed to provide the molecular basis for tubulin-Guanosine triphosphate (GTP) hydrolysis and its role in microtubule dynamics. Although it has been known for decades that tubulin-GTP turnover is linked to microtubule dynamics, its precise role in the process and how it is driven are now well understood. In the model we are presenting here, tubulin-GTP hydrolysis could be triggered via the conformational changes induced by kinesin-13 proteins or by the stabilizing chemical agent paclitaxel. We also provide biochemical evidence showing that conformational changes of tubulin dimers precedes the tubulin-GTP turnover, which indicates that this process is triggered mechanically. Next, we identified microtubule kinesin Kif2C as a protein associated with double strand break (DSB)-mimicking DNA templates and other known DSB repair proteins in Xenopus egg extracts and mammalian cells. DNA double strand breaks (DSBs) are a major type of DNA lesions with the most cytotoxic effects. Due to their sever impacts on cell survival and genomic stability, DNA DSBs are related to many human diseases including cancer. Here we found that PARP and ATM activities were both required for the recruitment of Kif2C to DNA repair sites. Kif2C knockdown/knockout or inhibition of its microtubule depolymerizing activity led to accumulation of endogenous DNA damage, DNA damage hypersensitivity, and reduced DSB repair via both non-homologous end-joining (NHEJ) and homologous recombination (HR). Interestingly, genetic depletion of KIF2C, or inhibition of its microtubule depolymerase activity, reduced the mobility of DSBs, impaired the formation of DNA damage foci, and decreased the occurrence of foci fusion and resolution. Altogether, our findings shed light on the mechanisms involved in kinesin-13 catalyzed microtubule depolymerization. Our tubulin-GTP hydrolysis model suggests that kinesin-13 proteins may interact with tubulin dimers at microtubules ends and alter their conformations, modulate the extent of the GTP caps in cells and trigger microtubule disassembly. These two models could be keys to unravel the mechanisms involved in the novel role of Kif2C in DNA DSB repair without associating with microtubule polymers.

Le génome de la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae a évolué à partir d'un ancêtre chez lequel une profonde décompaction du génome s'est produite à la suite de la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3, il y a environ 300 millions d'années. Il a été proposé que cette décompaction du génome a entraîné une capacité accrue des levures à évoluer par des mécanismes impliquant des taux de recombinaison méiotique et de mutation exceptionnellement élevés. La capacité à évoluer accrue qui en résulte pourrait avoir permis des adaptations uniques, qui en ont fait un eucaryote modèle idéal et un outil biotechnologique. Dans cette thèse, je présenterai deux exemples de la façon dont les adaptations locales et globales du génome se reflètent dans les changements des propriétés mécaniques de la chromatine qui, à leur tour, indiquent un phénomène de séparation de phase causée par les modifications post-traductionnelles des histones et des changements dans les taux d'échange des histones. Dans un premier manuscrit, je présente des preuves d'un mécanisme par lequel la relocalisation du locus INO1, gène actif répondant à la déplétion en inositol, du nucléoplasme vers l'enveloppe nucléaire, augmente la vitesse d'adaptation et la robustesse métabolique aux ressources fluctuantes, en augmentant le transport des ARNm vers le cytosol et leur traduction. La répartition d'INO1 vers l'enveloppe nucléaire est déterminée par une augmentation locale des taux d'échange d'histones, ce qui entraîne sa séparation de phase du nucléoplasme en une phase de faible densité plus proche de la périphérie nucléaire. J'ai quantifié les propriétés mécaniques de la chromatine du locus du gène dans les états réprimé et actif en analysant le déplacement de 128 sites LacO fusionnés au gène liant LacI-GFP en calculant diffèrent paramètres tel que la constante de ressort effective et le rayons de confinement du locus. De plus, j'ai mesuré l'amplitude et le taux d'expansion en fonction du temps du réseau LacO et j'ai observé une diminution significative du locus à l'état actif, ce qui est cohérent avec le comportement de ressort entropique de la chromatine décompactée. J'ai montré que les séquences d'éléments en cis dans le promoteur du locus, essentielles à la séparation de phase, sont des sites de liaison pour les complexes de remodelage de la chromatine effectuant l'acétylation des histones. Ces modifications de la chromatine entraînent une augmentation des taux d'échanges des sous-unités des complexes d'histones, et une séparation de phase locale de la chromatine. Enfin, je présente l’analyse de simulations in silico qui montrent que la séparation de phase locale de la chromatine peut être prédite à partir d'un modèle de formation/disruption des interactions multivalentes protéine-protéine et protéine-ADN qui entraîne une diminution de la dynamique de l'ADN. Ces résultats suggèrent un mécanisme général permettant de contrôler la formation rapide des domaines de la chromatine, bien que les processus spécifiques contribuant à la diminution de la dynamique de l'ADN restent à étudier. Dans un second manuscrit, je décris comment nous avons induit la « retro-évolution » de la levure en réintroduisant la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 par l'expression de deux gènes de la levure Schizosaccaromyces pombe Spswi6 et Spclr4. Le mutant résultant présente une augmentation de la compaction de la chromatine, ce qui entraîne une réduction remarquable des taux de mutation et de recombinaison. Ces résultats suggèrent que la perte de la méthylation de la lysine 9 de l'histone H3 pourrait avoir augmenté la capacité à l'évoluer. La stabilité inhabituelle du génome conférée par ces mutations pourrait être utile pour l'ingénierie métabolique de S. cerevisiae, dans laquelle il est difficile de maintenir des gènes exogènes intégrés pour les applications de nombreux processus biotechnologiques courants tels que la production de vin, de bière, de pain et de biocarburants. Ces résultats soulignent l'influence des propriétés physiques d'un génome sur son architecture et sa fonction globales. / The genome of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae evolved from an ancestor in which a profound genome decompaction occurred as the result of the loss of histone H3 lysine 9 methylation, approximately 300 million years ago. This decompaction may have resulted in an increased capacity of yeasts to evolve by mechanisms that include unusually high meiotic recombination and mutation rates. Resultant increased evolvability may have enabled unique adaptations, which have made it an ideal model eukaryote and biotechnological tool. In this thesis I will present two examples of how local and global genome adaptations are reflected in changes in the mechanical properties of chromatin. In a first manuscript, I present evidence for a mechanism by which partitioning of the active inositol depletion-responsive gene locus INO1 from nucleoplasm to the nuclear envelope increases the speed of adaptation and metabolic robustness to fluctuating resources, by increasing mRNA transport to the cytosol and their translation. Partitioning of INO1 to the nuclear envelope is driven by a local increase in histone exchange rates, resulting in its phase separation from the nucleoplasm into a low-density phase closer to the nuclear periphery. I quantified the mechanical properties of the gene locus chromatin in repressed and active states by monitoring mean-squared displacement of an array of 128 LacO sites fused to the gene binding LacI-GFP and calculating effective spring constants and radii of confinement of the array. Furthermore, I measured amplitude and rate of time-dependent expansion of the LacO array, and observed a significant decrease for the active-state locus which is consistent with entropic spring behavior of decompacted chromatin. I showed that cis element sequences in the promoter and upstream of the locus that are essential to phase separation are binding sites for chromatin remodeling complexes that perform histone acetylation among other modifications that result in increased histone complex exchange rates, and consequent local chromatin phase separation. Finally, I present analytical simulations that show that local phase separation of chromatin can be predicted from a model of formation/disruption of multivalent protein-protein and protein-DNA interactions that results in decreased DNA dynamics. These results suggest a general mechanism to control rapid formation of chromatin domains, although the specific processes contributing to the decreased DNA dynamics remain to be investigated. In a second manuscript, I describe how we retro-evolutionarily engineered yeast by reintroducing histone H3 lysine 9 methylation through the expression of two genes from the yeast Schizosaccaromyces pombe Spswi6 and Spclr4. This mutant shows an increase in compaction, resulting in remarkable reduced mutation and recombination rates. These results suggest that loss of histone H3 lysine 9 methylation may have increased evolvability. The unusual genome stability imparted by these mutations could be of value to metabolically engineering S. cerevisiae, in which it is difficult to maintain integrated exogenous genes for applications for many common biotechnological processes such as wine, beer, bread, and biofuels production. These results highlight the influence of the physical properties of a genome on its overall architecture and function.

Caractériser la fonction des protéines est crucial pour notre compréhension des mécanismes moléculaires de la vie, des maladies, et aussi pour inspirer de nouvelles applications en bionanotechnologie. Pour y arriver, il est nécessaire de caractériser la structure et la dynamique de chaque état occupé par la protéine durant sa fonction. La caractérisation expérimentale des états transitoires des protéines représente encore un défi majeur parce que les techniques à haute résolution structurelle, telles que la spectroscopie RMN et la cristallographie aux rayons X, peuvent difficilement être appliquées à l’étude des états de courte durée. De plus, les techniques à haute résolution temporelle, telles que la spectroscopie de fluorescence, nécessitent généralement une chimie complexe pour introduire des fluorophores à des endroits spécifiques dans la protéine. Dans cette thèse nous introduisons l’utilisation des nanoantennes fluorescentes en tant que nouvelle stratégie pour détecter et signaler les changements de conformation des protéines via des interactions non covalentes entre des fluorophores spécifiques et la surface de la protéine. En utilisant des expériences et des simulations moléculaires, nous démontrons que des fluorophores chimiquement divers peuvent se lier et être utilisés pour sonder différentes régions d’une enzyme modèle, la phosphatase alcaline (PA). Ces nanoantennes peuvent être fixées directement aux protéines ou utilisées à l'aide du système de fixation simple et modulaire, le complexe biotine-streptavidine (SA), qui permet un criblage rapide et efficace de la nanoantenne optimale tant dans sa composition que sa longueur. Dans le cas de la PA, nous montrons que nos nanoantennes permettent la détection et la caractérisation des conformations distinctes incluant les changements conformationnels nanoscopiques produisant durant la catalyse du substrat. Nous démontrons également que les signaux fluorescents émis par la nanoantenne peuvent également permettre de caractériser la cinétique enzymatique d’une protéine en une seule expérience tout en incluant la détermination des paramètres « Michaelis-Menten » de ses substrats et inhibiteurs. Nous avons également exploré l'universalité de la stratégie ces nanoantennes fluorescentes en utilisant une autre protéine modèle, la Protéine G et son interaction avec les anticorps, et avons démontré son utilité pour mettre au point un essai permettant de détecter les anticorps. Ces nanoantennes simples et faciles à utiliser peuvent être appliquées pour détecter et analyser les changements conformationnels de toutes tailles et nos résultats suggèrent qu'elles pourraient être utilisées pour caractériser n’importe quel type de fonction. / The characterisation of protein function is crucial to understanding the molecular mechanisms of life and disease, and inspires new applications in bionanotechnology. To do so, it is necessary to characterise the structure and dynamics of each state that proteins adopt during their function. Experimental study of protein transient states, however, remains a major challenge because high-structural-resolution techniques, including NMR spectroscopy and X-ray crystallography, can often not be directly applied to study short-lived protein states. On the other hand, high-temporal-resolution techniques, such as fluorescence spectroscopy, typically require complicated site-specific labelling chemistry. This thesis introduces the use of fluorescent nanoantennas as a new strategy for sensing and reporting on protein conformational changes through noncovalent dye-protein interactions driven by a high local concentration. Using experiments and molecular simulations, we first demonstrate that chemically diverse dyes can bind and be used to probe different regions of a model enzyme, intestinal alkaline phosphatase (AP). These nanoantennas can be attached directly to proteins or employed using the simple and modular biotin-streptavidin (SA) attachment system, which enables rapid and efficient screening for high sensitivity by tuning their length and composition. We show that these nanoantennas enable the detection and characterisation of distinct conformational changes of AP, including nanoscale conformational changes that occur during substrate catalysis. We also show that the fluorescent signal emitted by the nanoantenna enables complete characterisation of enzyme kinetics in one experiment, including determination of Michaelis-Menten parameters of substrates and inhibitors of AP. We then explored the universality of the nanoantenna strategy by using a different model protein system. Protein G was shown to interact with antibodies, using a rapid screening strategy for antibody detection. These effective and easy-to-use nanoantennas could potentially be employed to monitor various conformational changes, and our results offer potential for characterising various protein functions.

Une exposition prénatale à l’alcool peut altérer le développement embryonnaire et causer le Trouble du Spectre de l’Alcoolisation Fœtale (TSAF). Les mécanismes moléculaires menant aux symptômes observés chez les enfants atteints sont toutefois méconnus. Plus encore, bien que les taux de consommation excessive d’alcool (binge-drinking) et de grossesses non-planifiées soient en hausse à travers le monde, les impacts d’une exposition prénatale à l’alcool pendant la préimplantation de l’embryon, sont inconnus et peu étudiés. Dans cette thèse, je souhaitais caractériser les impacts morphologiques d’une exposition à l’alcool pendant la préimplantation sur l’embryon en développement. De plus, je voulais définir les mécanismes moléculaires impliqués dans le cerveau antérieur ainsi que dans le placenta embryonnaire, en plus d’évaluer l’effet d’une exposition à l’alcool pendant la préimplantation sur certaines fonctions cognitives au stade post-natal. Notre hypothèse de recherche est qu’une exposition à l’alcool de type aigu pendant la préimplantation entrainera des erreurs dans l’établissement du programme épigénétique embryonnaire, causant des altérations dans les profils de méthylation d’ADN et d’expression des gènes chez l’embryon et son placenta qui persisteront tout au long de la gestation. Plus encore, nous croyons que ces dérégulations moléculaires altèreront les fonctions cognitives à long terme chez les souriceaux exposés. Pour répondre à ces questions, nous avons établi un modèle murin d’exposition à l’alcool de type aigu pendant la préimplantation en injectant des femelles gestantes au jour embryonnaire 2.5 (E2.5), correspondant au stade 8-cellules, avec deux doses de 2.5g/kg d’alcool séparées par 2 heures d’intervalle. Nous avons récolté des embryons à mi-gestation (E10.5), évaluer la morphologie puis nous avons isolé le cerveau antérieur pour étudier la méthylation d’ADN et l’expression génique. Nous avons aussi récolté des embryons en fin de gestation (E18.5) et leur placenta pour procéder à des analyses de méthylation d’ADN et de l’expression génique, en plus d’effectuer des analyses histologiques des placentas. Finalement, nous avons aussi laissé naître des souris issues de notre modèle d’exposition à l’alcool pendant la préimplantation pour évaluer certaines fonctions cognitives, notamment l’anxiété, la sociabilité et la mémoire, en procédant à des tests de comportement. Nous avons d’abord observé une augmentation des anomalies morphologiques chez l’embryon à mi-gestation à la suite de l’exposition prénatale à l’alcool. Nous avons aussi découvert que l’exposition prénatale, pendant la préimplantation, engendrait des différences de méthylation d’ADN dans le cerveau antérieur à mi-gestation et en fin de gestation, dans plusieurs voies biologiques reliées au développement embryonnaire et au fonctionnement du système nerveux. La plupart des régions différentiellement méthylées (DMRs) et des gènes différentiellement exprimés (DEGs) étaient spécifiques à chaque sexe, avec peu de régions partagées entre les mâles et les femelles. Nous avons aussi identifié des DMRs et DEGs spécifiques à chaque sexe ou partagés entre les deux sexes, dans les placentas en fin de gestation en plus de démontrer une baisse du poids fœtal chez les embryons mâles exposés à l’alcool. Enfin, nous avons démontré que l’exposition prénatale pendant la préimplantation causait une baisse de la sociabilité et de la mémoire à court-terme, sans avoir d’effet sur le niveau d’anxiété des souris En conclusion, nous avons démontré qu’une exposition prénatale à l’alcool en tout début de grossesse affecte le développement embryonnaire, via l’épigénome et le transcriptome du cerveau antérieur et du placenta, et entraine des conséquences à plus long terme sur les fonctions cognitives. En perspective, nous souhaitons établir les profils de méthylation d’ADN et d’expression génique précisément dans certains sous-types cellulaires du cerveau, dont les interneurones GABAergiques afin de mieux définir les mécanismes moléculaires derrière les altérations observées. / Prenatal alcohol exposure can alter embryonic development and lead to Fetal Alcohol Spectrum Disorder (FASD). However, the molecular mechanisms underlying the symptoms in affected children remain poorly understood. Furthermore, despite the increasing rates of binge drinking and unplanned pregnancies worldwide, the impacts of prenatal alcohol exposure during the preimplantation stage of embryonic development are largely unknown and understudied. In this thesis I aimed to characterize the morphological effects of alcohol exposure during preimplantation on developing embryos. Additionally, we sought to define the extent of DNA methylation defects and gene expression in the anterior brain and embryonic placenta. Furthermore, we aimed to evaluate the effects of our preimplantation alcohol exposure on certain cognitive functions in the postnatal stage. Our research hypothesis is that acute alcohol exposure during preimplantation will lead to errors in establishing the embryonic epigenetic program, causing alterations in DNA methylation profiles and gene expression in both the embryo and its placenta, persisting throughout gestation. We also believed that these molecular dysregulations would result in long-term cognitive impairments in exposed pups. To address these questions, we established a preclinical mouse model of acute alcohol exposure during preimplantation by injecting pregnant females on embryonic day 2.5 (E2.5), corresponding to the 8-cell stage, with two doses of 2.5g/kg of alcohol, separated by a 2-hour interval. We collected embryos at mid-gestation (E10.5), assessed for morphological defects and isolated the forebrain for DNA methylation and gene expression studies. We also collected embryos at late gestation (E18.5) along with their placenta for DNA methylation and gene expression analyses, as well as histological examinations of fixed placentas. Finally, we allowed mice from our preimplantation alcohol exposure model to be born and assessed specific cognitive functions such as anxiety, sociability, and memory through behavioral tests. First, we observed an increase in morphological anomalies in mid-gestation embryos following prenatal alcohol exposure and discovered that prenatal exposure during preimplantation led to DNA methylation differences in the forebrain at mid-gestation and late gestation, affecting various biological pathways related to embryonic development and nervous system function. Most of the differentially methylated regions (DMRs) and differentially expressed genes (DEGs) were sex-specific, with only few regions shared between males and females. We also identified sex-specific and shared DMRs and DEGs in late gestational placentas. Additionally, we demonstrated a decrease in fetal weight in male embryos and showed that preimplantation alcohol exposure caused reduced sociability and short-term memory without affecting the anxiety levels of the mice. In conclusion, we have shown that early preimplantation alcohol exposure affects embryonic development through the epigenome and transcriptome of the anterior brain and placenta, leading to long-term cognitive consequences. Moving forward, we intend to establish DNA methylation and gene expression profiles specifically in certain brain cell subtypes, including GABAergic interneurons, to better define the molecular mechanisms underlying the observed alterations.

L'α-synucléine est reconnue comme une protéine clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson ainsi que d'autres troubles neurodégénératifs appelés synucléinopathies. Dans ces maladies, la surexpression de l’α-synucléine entraîne la formation d'agrégats toxiques dans les neurones dopaminergiques (DA). Dans cette thèse, nous avons exploré l’effet de la régulation de microARN (miARN) sur l’expression de l’α-synucléine. Pour se faire, des études ont été menées avec la lignée cellulaire humaine SH-SY5Y qui peut être différenciée pour créer un modèle de neurones DA et ensuite traitée avec une neurotoxine pour induire des caractéristiques cellulaires de la maladie de Parkinson. Des observations importantes ont été supportées dans des modèles cellulaires plus avancés, notamment les neurones induits par reprogrammation directe de fibroblastes humains (iNs) et les neurones DA primaires de souris purifiés. Le premier objectif était de mieux comprendre comment la surexpression aberrante de l'α synucléine dans les synucléinopathies pourrait être due à une dérégulation de la maturation des miARN qui ciblent son ARN messager. Tout d’abord, nous avons sélectionné les miARN les plus susceptibles d'avoir un effet régulateur sur l’expression de l’α-synucléine à partir de recherche de la littérature et d’analyse de bases de données spécialisées. Nous avons observé que l’augmentation de l'expression de l'α-synucléine associée à l’ajout de neurotoxine est accompagnée d’une diminution concomitante de l'expression de plusieurs miARN sélectionnés. Sur la base de ces résultats, l'impact de ces miARN sur l'expression de l'α-synucléine a été évalué dans plusieurs types de cellules humaines, notamment les HEK 293T, les SH-SY5Y différenciées et les iNs. À cette fin, nous avons utilisé des cibles de miARN exogènes pour réprimer l'activité régulatrice des miARN et avons mesuré leur effet sur l'expression de l'α synucléine. Ainsi, nous avons démontré que la répression de miR-7, miR-93, miR-140, miR 153 et miR 214 mène systématiquement à la surexpression de l’α-synucléine dans les différents types de cellules. De plus, nous avons démontré que certains miARN sont régulés de manière post-transcriptionnelle en mesurant les niveaux des formes immatures et matures des miARN dans différents contextes cellulaires. Le deuxième objectif était d’identifier des protéines potentiellement aptes à réguler la maturation post-transcriptionnelle de miARN. Des études de purification par affinité et de spectrométrie de masse ont permis d'identifier les protéines qui s’associent avec la tige-boucle des formes immatures des miARN et régulent potentiellement leur maturation. Quelques protéines candidates ont été sélectionnées sur la base d’analyse informatique pour examiner l’effet de leur surexpression dans différents essais cellulaires. À ce jour, nous avons identifié quatre protéines (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) qui, en plus de répondre à certains critères de bases (lient l’ARN, sont présentes dans le cerveau et impliquées dans des maladies associées au système nerveux), ont un effet sur l’activité et l’expression de miR-153 ainsi que sur l’expression de l’α-synucléine. Ces travaux ont permis d’établir de solides bases dans notre compréhension de la régulation de l'α-synucléine par les miARN et d’ouvrir la voie à des études plus élaborées qui permettront d’établir les mécanismes de régulation des niveaux de miARN qui ciblent l’α-synucléine. À plus long terme, cet axe de recherche pourrait fournir des pistes pour le développement d'outils diagnostiques et thérapeutiques pour les synucléinopathies. / Alpha-synuclein is a key protein in the pathophysiology of Parkinson's disease and other neurodegenerative disorders called synucleinopathies. In these diseases, overexpression of α-synuclein leads to the formation of toxic aggregates in dopaminergic (DA) neurons. In this thesis, we explored the effect of microRNA (miRNA) regulation on α-synuclein expression. To do so, studies were conducted with the human SH-SY5Y cell line, which can be differentiated to create a model of DA neurons and then treated with a neurotoxin to induce cellular features of Parkinson's disease. Important observations were supported in more advanced cell models, including neurons induced by direct reprogramming of human fibroblasts (iNs) and purified primary mouse DA neurons. The first objective was to better understand how aberrant overexpression of α-synuclein in synucleinopathies results in the deregulation of the maturation of miRNAs that target its messenger RNA. First, we selected the miRNAs most likely to have a regulatory effect on α-synuclein expression based on literature searches and specialized database analyses. We observed that the increase in α-synuclein expression associated with neurotoxin addition is accompanied by a concomitant decrease in the expression level of several selected miRNAs. Based on these results, the impact of these miRNAs on αsynuclein expression was evaluated in several human cell types, including HEK 293T, differentiated SHSY5Y, and iNs. To this end, we used exogenous miRNA targets to repress miRNA regulatory activity and measured their effect on α-synuclein expression. Thus, we demonstrated that repression of miR-7, miR-93, miR-140, miR-153, and miR-214 consistently leads to overexpression of α-synuclein in different cell types. In addition, we demonstrated that some miRNAs are regulated in a posttranscriptional manner by measuring the levels of immature and mature forms of miRNAs in different cellular contexts. The second objective was to identify proteins potentially able to regulate the post-transcriptional maturation of miRNAs. Affinity purification and mass spectrometry studies were used to identify proteins that associate with the stem-loop of immature forms of miRNAs and potentially regulate their maturation. A few candidate proteins were selected based on computational analysis to examine the effect of their overexpression in different cell-based assays. To date, we have identified four proteins (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) that, in addition, to fitting basic criteria (known to bind RNA, are present in the brain and associated with nervous system-related diseases) affect miR-153 activity and expression as well as α-synuclein expression. This work has established a solid foundation in our understanding of the regulation of α-synuclein by miRNAs and has paved the way for more elaborate studies that will establish the mechanisms of regulation of miRNA levels that target α-synuclein. In the longer term, this line of research could provide avenues for the development of diagnostic and therapeutic tools for synucleinopathies.

Les poly(ADP-ribose) polymérases (PARP) sont des enzymes qui modifient les protéines ou l’ADN par ADP-ribosylation à l’aide du nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+). Tankyrase est une PARP qui régule divers processus cellulaires, tels que la maintenance des télomères, la signalisation Wnt et le traitement de l’ARN. Elle est constituée de groupes de répétitions d’ankyrine (ARC) N-terminaux qui se lient aux protéines substrats, d’un domaine de motif α stérile intermédiaire qui médie la polymérisation avec d’autres molécules de tankyrase et d’un domaine catalytique C-terminal. Étant donné que l’activité de la tankyrase favorise la signalisation pro-oncogène Wnt/β-caténine, des inhibiteurs sous forme de petites molécules ont été développés pour cibler son domaine catalytique et se sont révélés prometteurs pour le traitement du cancer colorectal. Certaines protéines se lient à la tankyrase, mais plutôt que d’être ciblées pour l’ADP-ribosylation, elles inhibent son activité catalytique. Ces partenaires de liaison comprennent la GDP-mannose 4,6-déshydratase (GMD) et le gène 4 associé à la prostate (PAGE4). Il est important de noter que la structure de l’enzyme tankyrase complète n’a pas encore été déterminée, et on ignore actuellement pourquoi certaines protéines qui se lient à la tankyrase sont modifiées par l’ADP-ribose, tandis que d’autres restent inchangées et inhibent plutôt son activité catalytique. Comprendre ce mécanisme d’inhibition par analyse structurale pourrait fournir de nouvelles voies thérapeutiques bloquant la signalisation Wnt/β-caténine en ciblant le domaine N-terminal de la tankyrase. Notre objectif était d’utiliser la microscopie à coloration négative et la cryomicroscopie électronique pour déterminer les structures de la tankyrase seule et en complexe avec GMD et PAGE4. Nous avons observé que la tankyrase 1 s’assemble en double hélice lors de la polymérisation, créant des contacts interdomaines susceptibles de faciliter ses rôles catalytiques et d’échafaudage dans la signalisation cellulaire. De plus, GMD compactée et ARC1–5 de la tankyrase 1 se lient dans un rapport molaire 1:1 pour former un complexe bilobé, ce qui aide à expliquer pourquoi la GMD reste inchangée. Ces connaissances permettront le développement d’interventions cliniques plus efficaces ciblant les ARC N-terminaux ainsi que les contacts interdomaines de la tankyrase humaine. / Poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) are enzymes that modify proteins or DNA by ADP-ribosylation using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+). Tankyrase is a PARP that regulates diverse cellular processes, such as telomere maintenance, Wnt signaling, and RNA processing. It is made up of N-terminal ankyrin repeat clusters (ARCs) that bind substrate proteins, a middle sterile α motif domain that mediates polymerization with other tankyrase molecules, and a C-terminal catalytic domain. Due to the fact that tankyrase activity promotes pro-oncogenic Wnt/β-catenin signaling, small molecule inhibitors have been developed that target its catalytic domain and have shown promise for the treatment of colorectal cancer. Certain proteins bind tankyrase, but rather than being targeted for ADP-ribosylation, they inhibit its catalytic activity. These binding partners include GDP-mannose 4,6-dehydratase (GMD) and prostate-associated gene 4 (PAGE4). Importantly, the structure of the full-length tankyrase enzyme has yet to be determined, and it is currently unknown why some proteins that bind to tankyrase are modified with ADP-ribose, while others remain unmodified and instead inhibit its catalytic activity. Understanding this mechanism of inhibition by structural analysis could provide new therapeutic avenues that oppose Wnt/β-catenin signaling by targeting the N-terminal domain of tankyrase. We aimed to use negative stain and cryo-electron microscopy to determine the structures of tankyrase alone and in complex with GMD and PAGE4. We observed that tankyrase 1 assembles as a double helix upon polymerization, creating interdomain contacts that may facilitate its catalytic and scaffolding roles in cellular signaling. Moreover, compacted GMD and ARC1–5 of tankyrase 1 bind in a 1:1 molar ratio to form a bilobal complex, which aids in explaining why GMD remains unmodified. These insights will allow for the development of more effective clinical interventions targeting the N-terminal ARCs as well as interdomain contacts of human tankyrase.