Notre génome est constamment attaqué par des facteurs endogènes et exogènes qui menacent son intégrité et conduisent à différents types de dommages. Les cassures double brins (CDBs) font partie des dommages les plus nuisibles car elles peuvent entraîner la perte d'information génétique, des translocations chromosomiques et la mort cellulaire. Tous les processus de réparation se déroulent dans le cadre d'une chromatine hautement organisée et compartimentée. Cette chromatine peut être divisée en un compartiment ouvert transcriptionnellement actif (euchromatine) et un compartiment compacté transcriptionnellement inactif (hétérochromatine). Ces différents degrés de compaction jouent un rôle dans la régulation de la réponse aux dommages à l’ADN. L'objectif de mon premier projet était de comprendre l'influence de l'organisation 3D du génome sur la réparation de l'ADN. Pour cela, j’ai utilisé deux approches complémentaires dans le but d’induire et de cartographier les CDBs dans le génome de souris. Mes résultats ont mis en évidence un enrichissement de γH2AX, facteur de réparation des dommages à l’ADN, sur différentes régions du génome de cellules souches embryonnaires de souris, et ont également montré que les dommages persistent dans l’hétérochromatine, contrairement à l’euchromatine qui est protégée des dommages. Pour mon deuxième projet, j'ai cartographié l'empreinte génomique de 53BP1, facteur impliqué dans la réparation des CDBs, dans des cellules U2OS asynchrones et des cellules bloquées en G1 afin d’identifier de nouveaux sites de liaison de 53BP1. Mes résultats ont permis d’identifier de nouveaux domaines de liaison de 53BP1 couvrant de larges régions du génome, et ont montré que ces domaines de liaison apparaissent dans des régions de réplication moyenne et tardive. / Our genome is constantly under attack by endogenous and exogenous factors which challenge its integrity and lead to different types of damages. Double strand breaks (DSBs) constitute the most deleterious type of damage since they maylead to loss of genetic information, translocations and cell death. All the repair processes happen in the context of a highly organized and compartmentalized chromatin. Chromatin can be divided into an open transcriptionally active compartment (euchromatin) and a compacted transcriptionally inactive compartment (heterochromatin). These different degrees of compaction play important roles in regulating the DNA damage response. The goal of my first project was to understand the influence of 3D genome organization on DNA repair. I used two complementary approaches to induce and map DSBs in the mouse genome. My results have shown that enrichment of the DNA damage repair factor γH2AX occurs at distinct loci in the mouse embryonic stem cell genome and that the damage persists in the heterochromatin compartment while the euchromatin compartment is protected from DNA damage. For my second project, I mapped the genomic footprint of 53BP1, a factor involved in DSBs repair, in asynchronous and G1 arrested U2OS cells to identify novel 53BP1 binding sites. My results have identified novel 53BP1 binding domains which cover broad regions of the genome and occur in mid to late replicating regions of the genome.

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Notre génome est continuellement endommagé par des agents provoquant des lésions de l’ADN. Les cassures doubles brins de l’ADN (CDBs) sont les lésions les plus dangereuses. En effet, une CDB mal réparée peut mener à des aberrations de l’ADN pouvant conduire à l’apparition d’un cancer. Dans le but d’éviter les effets délétères des CDBs, nos cellules ont développé une voie de signalisation, nommée réponse aux dommages de l’ADN (RDA), permettant la détection des cassures et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire afin d’arrêter le cycle pendant la réparation des CDBs. Une des caractéristiques principales de la RDA est l’accumulation d’un grand nombre de facteurs sur l’ADN autour de la cassure, formant un foyer visible en microscopie. Cependant, l’efficacité de réparation de l’ADN est entravée par la structure condensée de la chromatine environnante. Les mécanismes de réparation de l’ADN surmontent ce problème en recrutant de nombreuses protéines permettant le réarrangement de la chromatine afin de faciliter la réparation. Le but de mon travail de thèse est d’identifier de nouvelles protéines impliquées dans le remodelage de la chromatine autour des CDBs. D’une part nous avons pour but d’identifier le protéome complet d’un foyer de réparation de l’ADN grâce à la technique PICh (Proteomics of Isolated Chromatin loci). D’autre part, nous étudions le rôle de l’oncoprotéine SET/TAF-1β, que nous avons identifié lors d’un criblage siRNA réalisé dans le but de découvrir de nouveaux facteurs chromatiniens impliqués dans la réparation des CDBs. / Various DNA damaging agents, that can cause DNA lesions, assault constantly our genome. The most deleterious DNA lesions are the breaks occurring in both strands of DNA (Double stand breaks: DSBs). Inefficient repair of DSBs can lead to aberrations that may induce cancer. To avoid these deleterious effects of DSBs, cells have developed signalling cascades which entail detection of the lesions and spreading of the signal that leads to arrest in cell cycle progression and efficient repair. A major characteristic of DNA damage response (DDR) is the accumulation of a vast amount of proteins around the DSBs that are visible in the cell as DNA damage foci. However, efficient DNA repair is hampered by the fact that genomic DNA is packaged into chromatin. The DNA repair machinery overcomes this condensed structure to access damaged DNA by recruiting many proteins that remodel chromatin to facilitate efficient repair. The aim of my PhD work is to identify novel proteinsinvolved in the DDR and/or the remodelling of chromatin surrounding DSBs. On one hand, we take advantage of the PICh (Proteomics of Isolated Chromatin loci) technique and we aim to identify the entire proteome of DNA repair foci. On the other hand, we study the role of the oncogene SET/TAFIβ, a major hit of a siRNA screen performed to identify novel chromatin related proteins that play role in repair of DSBs.

Les défauts dans la réparation des cassures double-brin de l'ADN (DSBs) peuvent avoir d'importantes conséquences pouvant entrainer une instabilité génomique et conduire à la mort cellulaire ou au développement de cancers. Dans la plupart des cellules mammifères, le mécanisme de Jonction des Extrémités Non Homologues (NHEJ) est le principal mécanisme de réparation des DSBs. L'ADN Ligase IV (LigIV) est une protéine unique dans sa capacité à promouvoir la NHEJ classique. Elle s'associe avec deux autres protéines structuralement similaires, XRCC4 et XLF (ou Cernunnos). LigIV interagit directement avec XRCC4 pour former un complexe stable, tandis que l'interaction entre XLF et ce complexe est médiée par XRCC4. XLF stimule fortement l'activité de ligation du complexe LigIV/XRCC4 par un mécanisme encore indéterminé. Récemment, un rôle structurel non catalytique a été attribué à LigIV (Cottarel et al., 2013). Dans le travail de thèse présenté ici, nous avons reconstitué l'étape de ligation de la NHEJ en utilisant des protéines recombinantes produites dans des bactéries afin d’une part, d'explorer les bases moléculaires du rôle structural de LigIV, d’autre part de comprendre le mécanisme par lequel XLF stimule le complexe de ligation, et enfin de mieux comprendre comment ces trois protéines coopèrent au cours de la NHEJ. Nos analyses biochimiques suggèrent que XLF via son interaction avec XRCC4 lié à LigIV, pourrait induire un changement conformationnel dans la LigIV. Ce réarrangement de la ligase exposerait son interface de liaison à l'ADN ce qui lui permettrait alors de ponter deux molécules indépendantes d'ADN, une capacité indépendante de l'activité catalytique de LigIV. / Failure to repair DNA double-strand breaks (DSBs) may have deleterious consequences inducing genomic instability and even cell death. In most mammalian cells, Non-Homologous End Joining (NHEJ) is a prominent DSB repair pathway. DNA ligase IV (LigIV) is unique in its ability to promote classical NHEJ. It associates with two structurally related proteins called XRCC4 and XLF (aka Cernunnos). LigIV directly interacts with XRCC4 forming a stable complex while the XLF interaction with this complex is mediated by XRCC4. XLF strongly stimulates the ligation activity of the LigIV/XRCC4 complex by an unknown mechanism. Recently, a structural noncatalytic role of LigIV has been uncovered (Cottarel et al., 2013). Here, we have reconstituted the end joining ligation step using recombinant proteins produced in bacteria to explore not only the molecular basis for the structural role of LigIV, but also to understand the mechanism by which XLF stimulates the ligation complex, and how these three proteins work together during NHEJ. Our biochemical analysis suggests that XLF, through interactions with LigIV/XRCC4 complex, could induce a conformational change in LigIV. Rearrangement of the LigIV would expose its DNA binding interface that is able to bridge two independent DNA molecules. This bridging ability is fully independent of LigIV’s catalytic activity. We have mutated this interface in order to attempt to disrupt the newly identified DNA bridging ability. In vitro analysis of this LigIV mutant will be presented as well as a preliminary in vivo analysis.

Le système ubiquitine-protéasome représente une plateforme de signalisation cellulaire chez les eucaryotes et joue un rôle majeur dans la coordination des processus cellulaires. Des progrès récents suggèrent que l’ubiquitination joue un rôle important dans les phénomènes de séparation de phase liquide-liquide (LLPS), un processus permettant la localisation d’une quantité accrue de protéines dans un compartiment subcellulaire, afin de réaliser une fonction biologique. En effet, il a été démontré que l’ubiquitination joue un rôle central dans les mécanismes qui gouvernent la LLPS durant la formation des granules de stress dans le cytoplasme ou les foci de réparation de l’ADN dans le noyau. D’autre part, chez la levure, des travaux ont montré que le protéasome est capable de s’assembler sous forme de granules dans le cytoplasme suite à un stress métabolique. Toutefois, les mécanismes par lesquels le système ubiquitine-protéasome ainsi que ses régulateurs contrôlent les processus de LLPS restent à déterminer. Dans la première étude de cette thèse, nous avons investigué le mécanisme d’action de la déubiquitinase USP16, qui a été suggérée comme un régulateur négatif de la LLPS, empêchant la formation des foci de réparations de dommages à l’ADN. Cependant, nos résultats démontrent que USP16 est majoritairement cytoplasmique et que seulement une entrée forcée de USP16 dans le noyau empêche la formation des foci de réparation des cassures double brin induites par des radiations ionisagntes et ce en favorisant la déubiquitination de l’histone H2A. De plus, aucune translocation nucléaire de USP16 n’a été observée durant le cycle cellulaire ou suite à des dommages à l’ADN. Nos travaux montrent que USP16 est activement exclue du noyau via son signal d’export nucléaire et régulerait indirectement la LLPS menant à la formation des foci de réparation de l’ADN. Dans la deuxième étude, nous décrivons le comportement dynamique des protéines du protéasome lors d’une LLPS induite par un stress métabolique. Nos résultats indiquent que le protéasome forme des foci distincts dans le noyau des cellules humaines en réponse à une privation de nutriments. Nous avons constaté que ces foci sont enrichis en ubiquitine conjuguée et nous avons démontré que le récepteur d’ubiquitine Rad23B ainsi que l’absence des acides aminés non essentiels sont des éléments clés nécessaires à l’assemblage de ces foci du iv protéasome. De plus, des expériences de survie cellulaire montrent que la présence de ces foci est associée à la mort des cellules par apoptose. En conclusion, nos travaux mettent en lumière l’importance du système ubiquitine-protéasome dans la formation et la régulation des foci cellulaires suite à une LLPS. De même, cette étude aidera également à approfondir notre compréhension sur les mécanismes qui gouvernent l’homéostasie des protéines, la survie cellulaire et le développement du cancer. / The ubiquitin-proteasome system represents a major cell-signaling platform in eukaryotes and plays a pivotal role in the coordination of cellular processes. Recent studies provided evidence that ubiquitination plays a role in liquid-liquid phase separation (LLPS), a process that results in the localization of highly increased levels of a protein in a defined subcellular compartment, in order to achieve a biological function. Indeed, ubiquitination has been shown to play a central role in the mechanisms that govern LLPS and subsequent formation of stress granules in the cytoplasm or the DNA repair foci in the nucleus. On the other hand, several studies have shown that the proteasome itself is able to form granules in the cytoplasm following metabolic stress in yeasts. However, the mechanisms by which the ubiquitin-proteasome system and its regulators control LLPS processes remain to be determined. In the first study of this thesis, we investigated the mechanism of action of USP16 deubiquitinase, which has been suggested as a negative regulator of LLPS preventing the formation of DNA damage repair foci. However, our results demonstrate that USP16 is predominantly cytoplasmic and that only enforced nuclear entry of USP16 prevents the formation of repair foci after double strand breaks induced by ionizing radiation, and this by promoting the deubiquitination of histone H2A. In addition, no nuclear translocation of USP16 was observed during cell cycle or following DNA damage. Our study shows that USP16 is actively excluded from the nucleus via its nuclear export signal and would indirectly regulate LLPS that lead to DNA repair foci. In the second study, we describe the dynamic behavior of proteasome proteins during metabolic stress, a process that involves LLPS. Our results indicate that the proteasome forms distinct foci in the nucleus of human cells in response to nutrients deprivation. We found that these foci are enriched with conjugated ubiquitin and demonstrated that the ubiquitin receptor Rad23B as well as the absence of nonessential amino acids are the key elements necessary for the assembly of these proteasome foci. In addition, cell survival experiments show that the presence of these foci is associated with cell death by apoptosis. In conclusion, our work has shed new light on the importance of the ubiquitin-proteasome system in the formation and regulation of cell foci following LLPS. Likewise, this vi study will also help deepen our understanding of the mechanisms leading to protein homeostasis, cell survival and cancer development.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) cancérogène pour l’homme, qui contamine toutes les sphères de notre environnement. Son métabolite, le BaP-7,8-diol-9,10-époxyde (BPDE) est considéré comme son cancérogène ultime. Le BPDE se lie à l’ADN, formant des adduits qui doivent être réparés et qui seraient responsables des dommages à l’ADN et de la cancérogenèse induite par le BaP. Les adduits BPDE-ADN et les dommages à l’ADN (bris simple-brin [BSB] à l’ADN, aberrations chromosomiques [AC], échanges entre chromatides-sœurs [ÉCS] et micronoyaux [MN]) ont été mesurés dans les lymphocytes humains exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de jeunes volontaires non-fumeurs et en santé. Suite à l’exposition au BaP, le niveau d’adduits BPDE-ADN et la fréquence des AC et des MN augmentent significativement, puis diminuent aux concentrations les plus élevées de BaP testées, suggérant une induction du métabolisme de phase II du BaP. Lors de la mesure des ÉCS, nous obtenons une courbe dose-réponse linéaire, indiquant la production d’un autre type de lésions devant être réparées par le système de réparation par recombinaison homologue. Ces lésions pourraient être des bris à l’ADN ou des bases oxydées (8-OH-dG), ce qui est suggéré par l’analyse des corrélations existant entre nos biomarqueurs. Par ailleurs, la comparaison de la courbe dose-réponse des hommes et des femmes montre que des différences existent entre les sexes. Ainsi, les ÉCS, les AC et les MN sont significativement augmentés chez les hommes à la plus faible concentration de BaP, alors que chez les femmes cette augmentation, quoique présente, est non significative. Des différences interindividuelles sont également observées et sont plus importantes pour les adduits BPDE-ADN, les MN et les AC, alors que pour les ÉCS elles sont minimes. Les analyses statistiques effectuées ont permis d’établir que quatre facteurs (niveau d’exposition au BaP, adduits BPDE-ADN, fréquence des AC et nombre de MN par cellule micronucléée) expliquent jusqu’à 59 % de la variabilité observée dans le test des ÉCS, alors qu’aucun facteur significatif n’a pu être identifié dans le test des AC et des MN. L’analyse du mécanisme de formation de nos biomarqueurs précoces permet de suggérer que les bris à l’ADN et les bases oxydées devraient être classées comme biomarqueurs de dose biologique efficace, au sein des biomarqueurs d’exposition, dans le continuum exposition-maladie du BaP, étant donné qu’ils causent la formation des biomarqueurs de génotoxicité (ÉCS, AC et MN). Par ailleurs, le test des AC et des MN ont permis de confirmer l’action clastogénique du BaP en plus de mettre en évidence des effets aneugènes affectant surtout la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire. Ces effets aneugènes, reliés à l’étape de progression dans la cancérogenèse, pourraient être particulièrement importants puisque l’exposition au BaP et aux HAP est chronique et dure plusieurs années, voire des décennies. La compréhension des mécanismes régissant la formation des biomarqueurs étudiés dans cette étude, ainsi que des relations existant entre eux, peut être appliquée à de nombreux contaminants connus et émergents de notre environnement et contribuer à en évaluer le mode d’action. / Benzo-a-pyrene (BaP) is a polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) classified as carcinogenic to human, and is present throughout our environment. Metabolic activation of BaP leads to production of BaP-7,8-diol-9,10-epoxide (BPDE), considered as its ultimate carcinogenic metabolite. BPDE can bind to DNA, forming BPDE-DNA adducts at the origin of BaP-induced DNA damage and carcinogenesis. BPDE-DNA adducts and DNA damages (DNA single-strand breaks [SSBs], chromosomal aberrations [CAs], sister chromatid exchanges [SCEs] and micronuclei [MNs]) are measured in human lymphocytes exposed to low BaP concentrations, taken from non-smoking healthy young subjects. Following BaP exposure, BPDE-DNA adduct levels, as well as CA and MN frequencies raise significantly, and then decrease to the higher BaP concentrations tested, suggesting metabolic enzyme saturation or induction of BaP phase II metabolism. As for SCEs test, a linear dose response curve is obtained, suggesting that production of additional DNA lesions requiring homologous recombination repair may occur. These lesions could be DNA breaks or oxidized DNA bases (8-OH-dG), as indicated by correlation analysis performed between our biomarkers. Additionally, when comparing the dose-response curves for men and women separately, some differences show up. Indeed, SCEs, CAs, and MNs are significantly increased in men at the lowest BaP concentration tested, while in women, this increase is present but not significant. Interindividual differences are also present and are more considerable for BPDE-DNA adducts, MNs and CAs, whereas they are very low for SCEs. Statistical analysis showed that four factors (BaP exposure level, BPDE-DNA adducts, CA frequency and number of MN per micronucleated cell) significantly explained up to 59 % of observed variability in SCE test, while no such factors could explain the observed variability in CA and MN test. Following analysis of mechanisms underlying the formation of early biomarkers, we suggest a modification of the Exposure-Disease Continuum of BaP. We propose that DNA breaks and oxidized DNA bases should be classified as biomarkers of biologically effective dose (part of the exposure biomarkers), as their presence are at origin of early biomarkers of genotoxicity (SCEs, CAs and MNs). On the other hand, CA and MN tests confirmed clastogenic properties of BaP, and highlighted aneugenic effects influencing mostly chromosome segregation during cell division. These aneugenic effects, linked to the progression step of carcinogenesis, could be of particular importance given that exposure to BaP and other PAHs (smoking, occupational exposure) are chronic and may last for decades. Understanding the mechanisms playing a role in early biomarkers formation, as well as the relations existing between them, can be largely applied in our environment to many known and emerging contaminants, thus contributing to characterize their mode of action.

La réparation des cassures double brin (CDB) de l'ADN par recombinaison est essentielle au maintien de l'intégrité du génome de tous les être vivants. Ce processus doit cependant être finement régulé puisque la recombinaison peut générer des mutations ou des réarrangements chromosomiques, parfois extrêmement délétères pour la cellule. Les CDB peuvent être réparées par deux mécanismes : la recombinaison non homologue (ou jonction des extrémités d'ADN) ou la recombinaison homologue (impliquant une homologie de séquence entre les molécules recombinantes). Dans les cellules somatiques, les deux voies principales de recombinaison homologue (RH) sont la voie Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA) dépendante de la recombinase RAD51 et la voie Single Strand Annealing (SSA) indépendante de RAD51. Nos résultats ont d'abord mis en évidence un rôle inattendu de XRCC2, RAD51B et RAD51D - trois paralogues de RAD51 - dans la voie SSA. Nous avons confirmé que la fonction de la protéine XRCC2 dans la voie SSA ne dépend pas de RAD51, ce qui démontre que certains paralogues de RAD51 ont acquis des fonctions indépendantes de la recombinase. La différence de sévérité des phénotypes des mutants individuels ainsi que les analyses d'épistasie menées sur le double et le triple mutant suggèrent des fonctions individuelles de ces protéines au cours du SSA. Nous proposons qu'elles facilitent l'étape d'hybridation des deux séquences complémentaires situées de part et d'autre de la cassure, bien que ceci reste à confirmer par des études in vitro. L'étude des fonctions de l'hétérodimère XPF-ERCC1 - un complexe impliqué dans le clivage des extrémités d'ADN non homologues au cours des voies de RH - a révélé un rôle inhibiteur de ce complexe sur la voie SDSA. Cette action est dépendante de son activité endonucléasique et serait liée au clivage des longues extrémités 3' sortantes réalisant l'invasion d'un duplex d'ADN homologue, l'étape initiale de la voie SDSA. Notre étude a de plus confirmé que le rôle du complexe dépend de la longueur des extrémités non homologues chez Arabidopsis, comme chez les mammifères et la levure. Bien que le complexe XPF-ERCC1 soit essentiel au clivage des longues extrémités d'ADN non homologue, il n'est pas requis à l'élimination des courtes extrémités au cours de la RH. / The repair of DNA double-strand breaks (DSB) by recombination is essential for the maintenance of genome integrity of all living organisms. However, recombination must be finely regulated as it can generate mutations or chromosomal rearrangements, sometimes extremely deleterious to the cell. DSB can be repaired by two classes of recombination mechanism: non-homologous recombination (or DNA End Joining) or homologous recombination (implicating DNA sequence homology between the recombining molecules). In somatic cells, the two main pathways of homologous recombination (HR) are RAD51-dependent Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA) and RAD51-independent Single Strand Annealing (SSA). Our results have demonstrated an unexpected role of XRCC2, RAD51B and RAD51D - three RAD51 paralogues – in the SSA pathway. We confirmed that the function of XRCC2 in SSA does not depend upon RAD51, thus demonstrating that some RAD51 paralogues have acquired RAD51 recombinase-independent functions. The different severities of individual mutant phenotypes and epistasis analyses carried out on the double and triple mutants suggest individual functions of these proteins in SSA recombination. We propose that they facilitate hybridization of the two complementary sequences located on both sides of the break, although this remains to be confirmed by in vitro experiments. Study of the roles of XPF-ERCC1 - a complex involved in the cleavage of non-homologous DNA ends during HR - revealed an inhibitory role of this complex on the SDSA pathway. This is dependent on its endonuclease activity and is probably due to the cleavage of long 3' ends performing the homologous DNA duplex invasion, the initial step of the SDSA pathway. Our analyses also confirmed that the role of the complex depends on the length of the nonhomologous ends, as seen in mammals and yeasts. Although XPF-ERCC1 is essential for the cleavage of long nonhomologous DNA ends, it is not required for the elimination of short ends during HR.

Parmi les cancers du sein, 5 à 10% serait associé à une prédisposition génétique familiale. La prise en charge des patients prédisposés nécessite une bonne définition des risques de cancer. L’identification de l’altération moléculaire causale dans chacune de ces familles est donc un enjeu essentiel dans la prise en charge médicale. Deux gènes, BRCA1 et BRCA2, sont associés à une prédisposition majeure au cancer du sein et de l’ovaire depuis le milieu des années 1990, expliquant environ 15% des formes héréditaires. L’analyse moléculaire de ces deux gènes est désormais réalisée en routine pour la recherche de variations nucléotidiques et plus récemment de remaniements géniques ce qui a permis d’améliorer le taux de détection de mutations délétères. Cependant, pour près de 85% des familles avec une agrégation familiale ou un âge anormalement jeune de cancer du sein, aucune mutation délétère n’a pu être mise en évidence. Dans ce contexte, mon travail de thèse a eu pour objectif de tester plusieurs hypothèses permettant d’expliquer les risques de cancer du sein observés chez des familles montrant l’absence de mutation des gènes BRCA1 et BRCA2. Nous avons ainsi recherché des mécanismes d’altération rarement explorés pour les gènes BRCA1 et BRCA2, et enfin analysé d’autres gènes candidats dont le gène CDH1 et huit autres gènes impliqués dans la réparation de l’ADN. Nous avons pu mieux caractériser des remaniements sur les gènes BRCA1 et BRCA2. Enfin, nous avons pu évaluer l’impact de variants de signification inconnue et des réarrangements détectés par l’étude de leurs transcrits. Dans un premier temps, nous avons mis en place et validé de nouvelles approches techniques de détection et de caractérisation : la CGH-array dédiée, la qPCR-HRM et le peignage moléculaire. Ces techniques ont ensuite été utilisées pour étudier les remaniements géniques et leur fréquence pour onze gènes candidats à la prédisposition au cancer du sein à partir de 472 familles négatives aux mutations délétères BRCA1 et BRCA2. Parmi ces 11 gènes, nous pouvons conclure que les remaniements géniques détectés concernent principalement les gènes BRCA1 et BRCA2, et à un moindre degré le gène CHEK2. En appliquant ces techniques, nous avons pu décrire de nouveaux événements, deux larges délétions et une duplication intronique, pour les gènes CDH1 et BARD1, ouvrant de nouvelles perspectives sur l’étude des transcrits alternatifs. Nous avons en particulier pu décrire la grande diversité des réarrangements délétères en 5’ du gène BRCA1. L’enjeu est ensuite l’interprétation de ces événements. Notre étude des transcrits a permis de décrire un variant exonique d’épissage entraînant une délétion de l’exon 23 au niveau du transcrit BRCA1. Nous avons aussi validé la pathogénicité d’un réarrangement en phase de l’exon 3 de BRCA2 par une étude quantitative du transcrit et une évaluation de la coségrégation. Au final, moins de 1% de nouveaux remaniements ont été mis en évidence. Ce travail est riche d’enseignement pour les nouvelles investigations à mettre en place pour les familles prédisposées. En dehors de la technique d’identification, il est nécessaire de développer des stratégies de validation basées principalement sur la quantification des effets de ces altérations au niveau de l’ARN et des protéines. Cependant, il manque encore de nombreux chaînons pour expliquer l’héritabilité des cancers du sein. Les études sur les nouveaux gènes candidats et l’avènement des techniques de séquençage pangénome à haut débit, devraient permettre d’avoir une meilleure vision des phénomènes pathobiologiques liés à la prédisposition au cancer du sein. / Five to 10% of breast cancers are linked to a genetic predisposition. The management of patients at risk requires a good definition in the risk of cancer. The identification of causal molecular alterations in each of these families is a key issue in medical care. Two genes, BRCA1 and BRCA2, are related with the greatest susceptibility to breast cancer and ovarian cancer since the mid-1990s, accounting for about 15% of hereditary forms. Molecular analysis of these two genes is now routinely performed for the detection of nucleotide variations and more recently large rearrangements which have improved the detection rate of deleterious mutations. However, for more than 85% of families, no mutation explains familial aggregation or unusual young age of breast cancer onset. In this context, my thesis aimed at testing several hypotheses to explain the risks of breast cancer observed in families without any identified mutations in the BRCA1 and BRCA2 genes. We investigated some mechanisms of genic rearrangements rarely explored for BRCA1 and BRCA2 genes, and finally investigated other candidate genes, especially CDH1 gene and eight other genes involved in double-strand DNA repair. We have better characterized some rearrangements in the BRCA1 and BRCA2 genes. Finally, we applied RNA quantitative approaches to better assess the impact from variants of unknown significance and detected rearrangements. Initially, we developed and validated new technical approaches for detection and characterization such as dedicated CGH-array, qPCR-HRM and molecular combing. Rare large germline rearrangements and their frequency in eleven candidate genes for susceptibility to breast cancer were studied among 472 families negative by routine testing for BRCA1 and BRCA2 genes. Of these 11 genes, we conclude that genic rearrangements are found then mainly in the BRCA1 and BRCA2 genes, and to a lesser extent in the CHEK2 gene. We were able to describe two large intronic deletions and one duplication for the CDH1 and BARD1 genes, opening new perspectives on the regulation of their alternative transcript. In particular, we described the wide diversity of new rearrangements involving the 5' region of the BRCA1 gene. Then, it is necessary to validate and interpret those new events. Our transcript analysis described a new exonic variant causing the splice deletion of exon 23 in BRCA1 gene. We have developed tools to validate an in-frame large rearrangement of BRCA2 exon 3 with some transcript quantitative approaches and disease cosegregation.Finally, less than 1% of new rearrangements have been identified. This work is instructive for further investigations to establish molecular etiology in those families with breast cancer predisposition. Not only by applying new technologies, it is necessary to develop other strategies based primarily on quantifying effects of these alterations on transcription and traduction. However, it still lacks many links to explain the heritability of breast cancer. The combination of new candidate genes studies and the advent of high-throughput sequencing are expected to give a better vision of pathobiological phenomena related to the breast cancer predisposition.

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un hydrocarbure aromatique polycyclique (HAP) cancérogène pour l’homme, qui contamine toutes les sphères de notre environnement. Son métabolite, le BaP-7,8-diol-9,10-époxyde (BPDE) est considéré comme son cancérogène ultime. Le BPDE se lie à l’ADN, formant des adduits qui doivent être réparés et qui seraient responsables des dommages à l’ADN et de la cancérogenèse induite par le BaP. Les adduits BPDE-ADN et les dommages à l’ADN (bris simple-brin [BSB] à l’ADN, aberrations chromosomiques [AC], échanges entre chromatides-sœurs [ÉCS] et micronoyaux [MN]) ont été mesurés dans les lymphocytes humains exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de jeunes volontaires non-fumeurs et en santé. Suite à l’exposition au BaP, le niveau d’adduits BPDE-ADN et la fréquence des AC et des MN augmentent significativement, puis diminuent aux concentrations les plus élevées de BaP testées, suggérant une induction du métabolisme de phase II du BaP. Lors de la mesure des ÉCS, nous obtenons une courbe dose-réponse linéaire, indiquant la production d’un autre type de lésions devant être réparées par le système de réparation par recombinaison homologue. Ces lésions pourraient être des bris à l’ADN ou des bases oxydées (8-OH-dG), ce qui est suggéré par l’analyse des corrélations existant entre nos biomarqueurs. Par ailleurs, la comparaison de la courbe dose-réponse des hommes et des femmes montre que des différences existent entre les sexes. Ainsi, les ÉCS, les AC et les MN sont significativement augmentés chez les hommes à la plus faible concentration de BaP, alors que chez les femmes cette augmentation, quoique présente, est non significative. Des différences interindividuelles sont également observées et sont plus importantes pour les adduits BPDE-ADN, les MN et les AC, alors que pour les ÉCS elles sont minimes. Les analyses statistiques effectuées ont permis d’établir que quatre facteurs (niveau d’exposition au BaP, adduits BPDE-ADN, fréquence des AC et nombre de MN par cellule micronucléée) expliquent jusqu’à 59 % de la variabilité observée dans le test des ÉCS, alors qu’aucun facteur significatif n’a pu être identifié dans le test des AC et des MN. L’analyse du mécanisme de formation de nos biomarqueurs précoces permet de suggérer que les bris à l’ADN et les bases oxydées devraient être classées comme biomarqueurs de dose biologique efficace, au sein des biomarqueurs d’exposition, dans le continuum exposition-maladie du BaP, étant donné qu’ils causent la formation des biomarqueurs de génotoxicité (ÉCS, AC et MN). Par ailleurs, le test des AC et des MN ont permis de confirmer l’action clastogénique du BaP en plus de mettre en évidence des effets aneugènes affectant surtout la ségrégation des chromosomes lors de la division cellulaire. Ces effets aneugènes, reliés à l’étape de progression dans la cancérogenèse, pourraient être particulièrement importants puisque l’exposition au BaP et aux HAP est chronique et dure plusieurs années, voire des décennies. La compréhension des mécanismes régissant la formation des biomarqueurs étudiés dans cette étude, ainsi que des relations existant entre eux, peut être appliquée à de nombreux contaminants connus et émergents de notre environnement et contribuer à en évaluer le mode d’action. / Benzo-a-pyrene (BaP) is a polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) classified as carcinogenic to human, and is present throughout our environment. Metabolic activation of BaP leads to production of BaP-7,8-diol-9,10-epoxide (BPDE), considered as its ultimate carcinogenic metabolite. BPDE can bind to DNA, forming BPDE-DNA adducts at the origin of BaP-induced DNA damage and carcinogenesis. BPDE-DNA adducts and DNA damages (DNA single-strand breaks [SSBs], chromosomal aberrations [CAs], sister chromatid exchanges [SCEs] and micronuclei [MNs]) are measured in human lymphocytes exposed to low BaP concentrations, taken from non-smoking healthy young subjects. Following BaP exposure, BPDE-DNA adduct levels, as well as CA and MN frequencies raise significantly, and then decrease to the higher BaP concentrations tested, suggesting metabolic enzyme saturation or induction of BaP phase II metabolism. As for SCEs test, a linear dose response curve is obtained, suggesting that production of additional DNA lesions requiring homologous recombination repair may occur. These lesions could be DNA breaks or oxidized DNA bases (8-OH-dG), as indicated by correlation analysis performed between our biomarkers. Additionally, when comparing the dose-response curves for men and women separately, some differences show up. Indeed, SCEs, CAs, and MNs are significantly increased in men at the lowest BaP concentration tested, while in women, this increase is present but not significant. Interindividual differences are also present and are more considerable for BPDE-DNA adducts, MNs and CAs, whereas they are very low for SCEs. Statistical analysis showed that four factors (BaP exposure level, BPDE-DNA adducts, CA frequency and number of MN per micronucleated cell) significantly explained up to 59 % of observed variability in SCE test, while no such factors could explain the observed variability in CA and MN test. Following analysis of mechanisms underlying the formation of early biomarkers, we suggest a modification of the Exposure-Disease Continuum of BaP. We propose that DNA breaks and oxidized DNA bases should be classified as biomarkers of biologically effective dose (part of the exposure biomarkers), as their presence are at origin of early biomarkers of genotoxicity (SCEs, CAs and MNs). On the other hand, CA and MN tests confirmed clastogenic properties of BaP, and highlighted aneugenic effects influencing mostly chromosome segregation during cell division. These aneugenic effects, linked to the progression step of carcinogenesis, could be of particular importance given that exposure to BaP and other PAHs (smoking, occupational exposure) are chronic and may last for decades. Understanding the mechanisms playing a role in early biomarkers formation, as well as the relations existing between them, can be largely applied in our environment to many known and emerging contaminants, thus contributing to characterize their mode of action.