Le noyau des cellules est une structure très organisée, dont l'organisation joue un rôle important dans la régulation de l'expression des gènes. La compréhension des mécanismes à l'origine de cette organisation est donc essentielle à la compréhension du fonctionnement des génomes. De nombreuses expériences conduites chez la souris ont montré que les régions centromériques (RC) des chromosomes jouent un rôle dans l'organisation du noyau. L'organisation spatiale des RCs humaines est beaucoup moins étudiée, principalement à cause de la complexité des séquences qui les composent, qui rend plus difficile leur détection. Nous avons développé des outils de traitement et d'analyse quantitative d'image, qui, combinés à des nouveaux marqueurs des RCs humaines, nous ont permis de mieux décrire deux aspects de leur organisation spatiale. D'une part nous avons montré qu'elles se positionnent préférentiellement en périphérie du noyau ou aux bords des nucléoles, avec des fréquences qui dépendent des chromosomes. D'autre part nous avons montré qu'elles s'agrègent dans le noyau pour former un compartiment d'hétérochromatine, qui présente des caractéristiques similaires à celui observé dans d'autres espèces telles que la souris. Ces deux aspects sont tous deux inter-dépendants et varient au cours du cycle cellulaire. Cette description nouvelle met sur la piste de mécanismes responsables de l'organisation particulière des RCs, qui pourront être étudiés grâce à la méthode d'analyse et aux observables que nous avons développées. L'étude de ces mécanismes permettra de mieux comprendre la fonction des RCs humaines dans l'organisation du noyau. / The cell nucleus is a highly organized structure, playing an important role in gene regulation. Understanding the underlying mechanisms is therefore essential for understanding genome function. Numerous studies conducted in mouse cells have shown that centromeric regions (RC) of chromosomes play a role in nuclear organization. The spatial organization of human RCs is less studied, mainly because of the complexity of the underlying DNA sequences that make them hard to detect. We have developed image processing and analysis tools, that, combined with new markers for human RCs, have allowed us to draw a better description of two features of their spatial organization. On the one hand, we have shown that they are preferentially located close to the nuclear periphery or nucleoli borders, with chromosome-dependent frequencies. On the other hand, we have shown that they cluster to form a heterochromatic compartment that displays similar properties as the one observed in other species such as mouse. Both features are inter-dependent, and vary throughout the cell-cycle. This new description puts on the track of mechanisms responsible for the peculiar organization of RCs. Those mechanisms could be studied using the methodology and the observables we have developed. The study of those mechanisms will provide a better understanding of human RC function in nuclear organization.

La ségrégation fidèle des chromosomes est dirigée par le centromère, un locus chromosomique spécialisé qui est requis pour l’assemblage des kinetochores actifs. Les centromères sont marqués épigénétiquement par la présence d’un nucléosome unique qui contient un variant centromérique de l’histone H3 appelé Centromere protein A (CENP-A). Une question fondamentale est comment CENP-A est spécifiquement déposé aux centromères. L’objectif de ma thèse a été d’identifier les facteurs spécifiques de la déposition de CENP-A. Pour identifier les facteurs spécifiques impliqués dans la déposition de CENP-A aux centromères, j’ai utilisé la méthode de purification TAP-TAG à partir d’une fraction nucléaire soluble de cellules HeLa exprimant stablement une copie ectopique de CENP-A (e-CENP-A). J’ai ainsi pu identifié la protéine Holliday Junction Recognition protein (HJURP). En utilisant un siRNA spécifique de HJURP, j’ai montré que la localisation et la déposition de CENP-A étaient fortement affectées. La protéine recombinante HJURP lie de manière stoechiométrique le tétramère CENP-A/H4 mais il ne lie pas le tétramère H3/H4. La liaison se fait grâce à un petit domaine conservé en position N-terminal de HJURP, dénommé CBD (CENP-A binding domain). De plus, j’ai pu mettre en évidence in vitro que HJURP facilitait la déposition du tétramère CENP-A/H4 sur de l’ADN satellite. L’ensemble de mes résultats démontre très clairement que HJURP est la principale chaperone responsable de la déposition de CENP-A aux centromères. / Centromere is a specialized chromosomal locus, where kinetochore assembles, which is required for correct chromosome segregation during cell division. In higher eukaryotes, centromere specification is independent of the DNA sequence and is determined epigenetically by the presence of a unique nucleosome that contains a histone H3 variant, called CENP-A. A fundamental question in centromere biology is that how CENP-A is specifically delivered to and maintained on centromeres. The aim of my thesis was to identify specific chaperone in human, responsible for CENP-A loading to centromeres, by using biochemical and proteomic strategies. To identify CENP-A deposition machinery, I purified the prenucleosomal CENP-A complex from HeLa cells stably expressing epitope tagged CENP-A. By mass spectrometry analysis of proteins present in CENP-A and H3.1 complex, I found HJURP uniquely in CENP-A prenucleosomal complex. Down regulation of HJURP by specific siRNA strongly diminished centromeric localization of CENP-A. Bacteriallyexpressed HJURP specifically binds to the CATD domain of CENP-A, via a highly conserved Nterminal domain, called CBD. Finally, I showed that HJURP is able to facilitate the efficient deposition of CENP-A/H4 tetramer on naked DNA. Taken together, my data demonstrate that HJURP is a key chaperone responsible for the targeting and deposition of newly synthesized CENPA at centromeres.

La ségrégation fidèle des chromosomes est dirigée par le centromère, un locus chromosomique spécialisé qui est requis pour l'assemblage des kinetochores actifs. Les centromères sont marqués épigénétiquement par la présence d'un nucléosome unique qui contient un variant centromérique de l'histone H3 appelé Centromere protein A (CENP-A). Une question fondamentale est comment CENP-A est spécifiquement déposé aux centromères. L'objectif de ma thèse a été d'identifier les facteurs spécifiques de la déposition de CENP-A. Pour identifier les facteurs spécifiques impliqués dans la déposition de CENP-A aux centromères, j'ai utilisé la méthode de purification TAP-TAG à partir d'une fraction nucléaire soluble de cellules HeLa exprimant stablement une copie ectopique de CENP-A (e-CENP-A). J'ai ainsi pu identifié la protéine Holliday Junction Recognition protein (HJURP). En utilisant un siRNA spécifique de HJURP, j'ai montré que la localisation et la déposition de CENP-A étaient fortement affectées. La protéine recombinante HJURP lie de manière stoechiométrique le tétramère CENP-A/H4 mais il ne lie pas le tétramère H3/H4. La liaison se fait grâce à un petit domaine conservé en position N-terminal de HJURP, dénommé CBD (CENP-A binding domain). De plus, j'ai pu mettre en évidence in vitro que HJURP facilitait la déposition du tétramère CENP-A/H4 sur de l'ADN satellite. L'ensemble de mes résultats démontre très clairement que HJURP est la principale chaperone responsable de la déposition de CENP-A aux centromères.

Le noyau des cellules est une structure très organisée, dont l'organisation joue un rôle important dans la régulation de l'expression des gènes. La compréhension des mécanismes à l'origine de cette organisation est donc essentielle à la compréhension du fonctionnement des génomes. De nombreuses expériences conduites chez la souris ont montré que les régions centromériques (RC) des chromosomes jouent un rôle dans l'organisation du noyau. L'organisation spatiale des RCs humaines est beaucoup moins étudiée, principalement à cause de la complexité des séquences qui les composent, qui rend plus difficile leur détection. Nous avons développé des outils de traitement et d'analyse quantitative d'image, qui, combinés à des nouveaux marqueurs des RCs humaines, nous ont permis de mieux décrire deux aspects de leur organisation spatiale. D'une part nous avons montré qu'elles se positionnent préférentiellement en périphérie du noyau ou aux bords des nucléoles, avec des fréquences qui dépendent des chromosomes. D'autre part nous avons montré qu'elles s'agrègent dans le noyau pour former un compartiment d'hétérochromatine, qui présente des caractéristiques similaires à celui observé dans d'autres espèces telles que la souris. Ces deux aspects sont tous deux inter-dépendants et varient au cours du cycle cellulaire. Cette description nouvelle met sur la piste de mécanismes responsables de l'organisation particulière des RCs, qui pourront être étudiés grâce à la méthode d'analyse et aux observables que nous avons développées. L'étude de ces mécanismes permettra de mieux comprendre la fonction des RCs humaines dans l'organisation du noyau.

La protéine p53 est surtout étudiée pour sa capacité à empêcher la prolifération de cellules dont le génome est endommagé. Toutefois, en analysant les souris p53Δ31/Δ31 qui expriment une protéine p53 hyperactive, notre laboratoire a découvert un rôle inattendu de p53 dans la régulation du métabolisme des télomères. Ces souris modélisent la dyskératose congénitale (DC), un syndrome d’insuffisance médullaire héréditaire (SIMH) causé par un dysfonctionnement télomérique. Mon projet de thèse a combiné les analyses de modèles murins et de lignées cellulaires humaines afin d’approfondir l'étude de cette nouvelle fonction de p53 et de mieux comprendre le rôle de la voie p53 dans le développement des SIMH.En poursuivant notre analyse du modèle murin p53Δ31, nous avons montré que les cellules p53Δ31/Δ31 présentent une diminution d’expression de 12 gènes mutés dans l’anémie de Fanconi (AF), un autre SIMH étroitement lié à la DC. De plus, ces cellules montrent une capacité réduite à réparer les ponts inter-brins de l’ADN, une caractéristique typique de l’AF. Notre étude suggère que l’activation soutenue de p53 pourrait ainsi contribuer aux similitudes cliniques entre ces deux syndromes. Par ailleurs, nous avons identifié par quel mécanisme p53 régule négativement le métabolisme des télomères et la voie Fanconi de réparation de l’ADN. Ce mécanisme de régulation indirect, via p21 et E2F4, est très conservé entre la souris et l’Homme. De fait, les cellules p53Δ31/Δ31 constituent un outil puissant pour identifier de nouvelles cibles de p53 réprimées par ce mécanisme. Ainsi, elles nous ont permis de montrer que deux gènes essentiels pour la structure des centromères sont réprimés par p53.L’activation de p53 est clairement impliquée dans les étapes ultimes d’une insuffisance médullaire, mais le rôle d’une suractivation de p53 dans l’initiation d’un SIMH chez l'Homme reste, à ce jour, controversé. En effet, une mutation inactivatrice de la ribonucléase PARN a été trouvée chez des patients atteints de DC. Il a été proposé que cette protéine déstabilise l’ARNm de p53 tout en favorisant la maturation de l’ARN de la télomérase, si bien que les conséquences d’une inactivation de PARN restent mal comprises. Au cours de ma thèse, j'ai également étudié de nouveaux modèles murins et établi des modèles cellulaires humains pour déterminer l’implication d’une activation de p53 dans l’initiation d’un SIMH chez l’homme. Les résultats en cours, particulièrement prometteurs, devraient notamment déterminer l’impact d’une déficience en Parn sur la voie de régulation de p53.En conclusion, nous avons montré qu’une activation soutenue de p53 conduit à des phénotypes principalement associés aux SIMH. Par ailleurs, nous avons montré que p53 réprime de nombreux gènes impliqués dans la maintenance du génome, ce qui peut sembler surprenant au regard du concept de « gardien du génome » communément attribué à p53, et nous a amené à rediscuter ce concept. Ainsi, les résultats obtenus pendant ma thèse devraient permettre de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans l’insuffisance médullaire, la suppression tumorale et le vieillissement. / The p53 protein is mostly studied for its capacity to prevent the proliferation of cells with damaged genome. However, while studying p53Δ31/Δ31 mice that express a hyperactive p53 protein, our laboratory uncovered an unexpected role of p53 in the regulation of telomere metabolism. These mice model dyskeratosis congenita (DC), an inherited bone marrow failure syndrome (IBMFS) caused by defects in telomere maintenance. My PhD project combined analyses of mouse models and human cell lines to extend the study of this new function for p53 and to understand the role of the p53 pathway in the development of IBMFS.By extending our analysis of the p53Δ31 mouse model, we revealed that the p53Δ31/Δ31 cells exhibit decreased expression levels for 12 genes mutated in Fanconi anemia (FA), another IBMFS closely related to DC. Furthermore, these cells display a reduced capacity to repair DNA inter-strand crosslinks, a typical feature of FA cells. Our study suggests that a sustained activation of p53 might actually contribute to the clinical overlap between both syndromes. Importantly, we identified the mechanism used by p53 to downregulate telomere metabolism and the FA DNA repair pathway. This regulatory mechanism is indirect, via p21 and E2F4, and largely conserved between mice and humans. In fact, the p53Δ31/Δ31 cells constitute a powerful tool to find p53 target genes downregulated through this regulatory pathway. Accordingly, they were useful to show that two genes essential for centromere structure are also downregulated by p53.p53 activation is clearly involved in the final stages of bone marrow failure, but to-date, the role of p53 hyperactivation in the initiation of IBMFS remains controversial. Indeed, an inactivating mutation of the PARN gene, encoding a ribonuclease, was found in patients with DC. This protein was proposed to destabilize the p53 mRNA while promoting the maturation of the telomerase RNA, so that the consequences of PARN inactivation remain poorly understood. During my thesis, I also studied new mouse models and established human cellular models to determine the contribution of p53 activation in initiating IBMFS in humans. The current results, which are particularly promising, should notably determine the impact of Parn deficiency on the p53 regulatory pathway.In conclusion, we demonstrated that a sustained activation of p53 leads to phenotypes mainly associated with IBMFS. In addition, we showed that p53 suppresses many genes involved in genome maintenance, which may seem surprising in view of the concept of "guardian of the genome" commonly attributed to p53, leading us to revisit this concept. Hence, the results obtained during my thesis should help to better understand the mechanisms involved in bone marrow failure, tumor suppression and aging.

Parmi les méthodes de super-résolution, la microscopie par localisation de molécules uniques se distingue principalement par sa meilleure résolution réalisable en pratique mais aussi pour l’accès direct aux propriétés des molécules individuelles. Les données principales de la microscopie par localisation sont les coordonnées des fluorochromes, un type de données peu répandu en microscopie conventionnelle. Le développement de méthodes spéciales pour le traitement de ces données est donc nécessaire. J’ai développé les logiciels SharpViSu et ClusterViSu qui permettent d’effectuer les étapes de traitements les plus importantes, notamment une correction des dérives et des aberrations chromatiques, une sélection des événements de localisations, une reconstruction des données dans des images 2D ou dans des volumes 3D par le moyen de différentes techniques de visualisation, une estimation de la résolution à l’aide de la corrélation des anneaux de Fourier, et une segmentation à l’aide de fonctions K et L de Ripley. En plus, j’ai développé une méthode de segmentation de données de localisation en 2D et en 3D basée sur les diagrammes de Voronoï qui permet un clustering de manière automatique grâce à modélisation de bruit par les simulations Monte-Carlo. En utilisant les méthodes avancées de traitement de données, j’ai mis en évidence un clustering de la protéine CENP-A dans les régions centromériques des noyaux cellulaires et des transitions structurales de ces clusters au moment de la déposition de la CENP-A au début de la phase G1 du cycle cellulaire. / Among the super-resolution methods single-molecule localization microscopy (SMLM) is remarkable not only for best practically achievable resolution but also for the direct access to properties of individual molecules. The primary data of SMLM are the coordinates of individual fluorophores, which is a relatively rare data type in fluorescence microscopy. Therefore, specially adapted methods for processing of these data have to be developed. I developed the software SharpViSu and ClusterViSu that allow for most important data processing steps, namely for correction of drift and chromatic aberrations, selection of localization events, reconstruction of data in 2D images or 3D volumes using different visualization techniques, estimation of resolution with Fourier ring correlation, and segmentation using K- and L-Ripley functions. Additionally, I developed a method for segmentation of 2D and 3D localization data based on Voronoi diagrams, which allows for automatic and unambiguous cluster analysis thanks to noise modeling with Monte-Carlo simulations. Using advanced data processing methods, I demonstrated clustering of CENP-A in the centromeric regions of the cell nucleus and structural transitions of these clusters upon the CENP-A deposition in early G1 phase of the cell cycle.

Le benzo-a-pyrène (BaP) est un cancérogène reconnu pour l'homme, contaminant présent dans notre environnement. Il cause des dommages à l'ADN que nous avons mesurés dans les lymphocytes exposés à de faibles concentrations de BaP, provenant de 20 jeunes volontaires non fumeurs et en santé. Suite à l’exposition, la fréquence des micronoyaux (MN) augmente significativement et décrit une courbe dose-réponse non linéaire, suggérant le déclenchement du processus de détoxification et la réparation de l’ADN. Des différences entre les individus et entre les sexes sont présentes dans la réponse génotoxique produite par le BaP. Le test des aberrations chromosomiques montre que le pourcentage de chromosomes cassés augmente significativement dans les cellules exposées au BaP. Combinés avec l'augmentation de la fréquence des MN, nos résultats confirment l'effet clastogène du BaP déjà rapporté dans la littérature. L’hybridation in situ en fluorescence (FISH) des MN avec une sonde pancentromérique est aussi utilisée pour établir leur mécanisme de formation. La FISH révèle que la majorité des MN formés après une exposition au BaP contient un centromère et plus, ce qui est significativement différent de la condition non exposée. Plus précisément, dans nos conditions expérimentales, les MN induits par le BaP contiennent surtout trois centromères et plus, indiquant également la présence d'un effet aneugène. L'effet clastogène du BaP est relié à son rôle d'initiateur dans la cancérogenèse, alors que l'effet aneugène le relierait à l'étape de progression. Ces résultats sont importants puisque l'exposition aux composés de la classe du BaP est de longue durée (cigarette, air pollué). / Benzo-a-pyrene (BaP) is a known human carcinogen, contaminating all spheres of our environment. In human cells, BaP can induce various genotoxic effects on DNA, such as micronuclei (MNs) and chromosomal aberrations (CAs). MNs and CAs are measured in human lymphocytes in vitro exposed to low BaP concentrations, taken from 20 young healthy non-smoking subjects. Following BaP exposure, MN frequency increases significantly and shows a non-linear dose-response curve, suggesting the induction of detoxification process and/or DNA repair. Also, interindividual and sex differences in BaP-induced genotoxic damages are present. CA test shows that chromosome breaks increase significantly in cells exposed to BaP even at low concentrations. Combined to the observed MN frequency increase, our results confirm the clastogenic properties of BaP, as already reported in literature. In addition, fluorescence in situ hybridization (FISH) on MN using a pancentromeric probe is done to assess MN content. FISH reveals that most BaP-induced MNs contain centromeres, and specifically three or more centromeres. This difference is significant when compared to the unexposed condition, and suggest presence of an aneugenic effect. Clastogenic effect of BaP is associated with initiation step of carcinogenesis, while the aneugenic effect would link it with cancer progression. These results could be particularly important because exposure to BaP and other member of its chemical class usually last for decades (smoking, air pollution, etc.), and need to be confirm in future studies.

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