Les multi-thérapies actuelles permettent de maintenir l’infection au VIH-1 sous contrôle, mais malheureusement n’entraînent pas l’éradication du virus du fait de l’existence de réservoirs cellulaires, où le virus est intégré de façon latente. Les cellules microgliales, cibles privilégiées du VIH-1 dans le cerveau, sont les macrophages résidents du système nerveux central et ont été décrites comme un réservoir cellulaire avec une longue durée de vie. Ce genre de cellule, infectée de façon latente, apparaît comme un des principaux obstacles à l’éradication. Ainsi, la compréhension des mécanismes sous-jacents impliqués dans l’extinction de la transcription virale, semble une étape cruciale afin de parvenir à purger ces réservoirs. Notre laboratoire à déjà montré l’importance du répresseur transcriptionnel CTIP2 dans l’établissement et le maintien de la latence dans ces cellules. Dans le cadre de ma thèse je me suis intéressé à deux autres facteurs cellulaires, LSD1 et HIC1. Au cours de mes travaux, j’ai mis en évidence le rôle répresseur de ces protéines sur la transcription virale dans les microglies. LSD1 coopère avec CTIP2 pour promouvoir l’établissement de marques épigénétiques au niveau du promoteur viral pour induire la mise en place d’hétérochromatine. LSD1 est à l’origine du recrutement de CTIP2, mais aussi d’un autre complexe multiprotéique, COMPASS. A la différence de CTIP2 et LSD1, le suppresseur de tumeur HIC1 est un perturbateur du transactivateur viral TAT. HIC1 est préalablement modifié post-traductionnellement par la déacétylase SIRT1 et va ensuite contrecarrer l’activité de TAT afin d’empêcher la réactivation de la transcription du virus. Ainsi, tandis que LSD1 et CTIP2 favorise l’établissement de la latence, HIC1 permet quant à lui d’entretenir cet état du provirus dans les cellules microgliales. Les travaux présentés ici mettent en évidence deux nouveaux facteurs de la restriction de l’expression virale et permettent de définir de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les stratégies de purge des réservoirs. / Even though current multitherapies maintain HIV infection under control, they unfortunately do not achieve viral eradication due to the existence of latently infected cell reservoirs. Microglial cells are resident macrophages and the main HIV-1 target in brain. They have been described as a long-lived HIV-1 cell reservoir, and so appear as a one of the main obstacle to viral clearance. Thus, understanding of the mechanisms implicated in the establishment and maintaining of viral latency in these cells is a critical step on the way towards an HIV cure. Our team already demonstrated the implication of the cellular transcription factor CTIP2 in the establishment of HIV-1 silencing. In this work, I present two other cellular factors, LSD1 and HIC1 as new HIV-1 transcriptionnal expression inhibitors in microglial cells. LSD1 cooperates with CTIP2 to promote the establishment of epigenetic marks associated to heterochromatin structure at the viral promoter. LSD1 act as an anchoring plateform for CTIP2, and so the CTIP2-associated mutli-enzymatic chromatin remodeling complex, but also recruits the COMPASS methyltransferase complex. Unlike CTIP2 and LSD1, the tumor suppressor HIC1 disrupts the TAT-mediated transactivation cycle. HIC1 is beforehand modified post-translationnaly by the deacetylase SIRT1 and then counteracts TAT activity in order to limit viral transcription reactivation. Thus, while CTIP2 and LSD1 favour latency establishment, HIC1 maintains provirus silencing in microglial cells. All together, the results presented in this work introduce two new viral expression restriction factors and new potential therapeutic targets in reservoir purge strategies.

Les spermatozoïdes acquièrent leur pouvoir fécondant et leur mobilité lors de leur transit le long de l’épididyme. Paradoxalement, cette maturation épididymaire nécessite la présence d’espèces oxygénées réactives (EOR) pour condenser la chromatine spermatique afin de mieux protéger l’ADN de ces mêmes molécules. Nous avons étudié la façon dont l’épididyme parvient à assurer l’équilibre entre un déficit et un excès d’EOR en caractérisant le phénotype épididymaire de souris dont la production de deux enzymes antioxydantes glutathion peroxydases a été invalidée, GPx5 et snGPx4. L’épididyme de ces souris génère une réponse antioxydante élevée et augmente l’activité de pontage disulfure sur les gamètes en modulant l’expression génique d’enzymes antioxydantes (Trx, Prx, GST, SOD3, catalase) et de protéines disulfide isomérases (Pdia). Bien que ce sursaut d’activité soit efficace pour protéger les membranes du tissu et des spermatozoïdes, la chromatine des spermatozoïdes présente un défaut de condensation, laissant l’ADN spermatique vulnérable face aux EOR. Les gamètes présentent alors des dommages oxydants dans le noyau qui s’aggravent avec la diminution de l’activité antioxydante lors du vieillissement. Des approches immunologiques et biochimiques ont montré que les dommages oxydants se produisent préférentiellement sur l’ADN spermatique situé à la périphérie du noyau, qui est enrichi en nucléosomes persistants et qui est associé à la matrice nucléaire. Afin de déterminer s’il est possible de diminuer ces atteintes oxydantes sur les gamètes, nous avons étudié les effets d’une supplémentation orale antioxydante sur des souris sauvages et sur l’un de nos modèles murins mutant. / The spermatozoa acquire their fertilizing ability and their motility through the epididymis. Paradoxically, this epididymal maturation needs reactive oxygen species (ROS) to condense the sperm chromatin permitting to protect the DNA against these molecules. We studied how the epididymis ensure the equilibrium between deficit and excess of ROS by characterizing the epididymal phenotype of mice lacking two antioxidant activities of the glutathione peroxidase family, GPx5 & snGPx4. The epididymis of these mice produce a strong antioxidant response and also increase the disulfide bridging activity by adjusting the gene expression of antioxidant enzymes (Trx, Prx, GST, SOD3, catalase) and disulfide isomerase proteins (Pdia). This protection is efficient for tissue and sperm membranes but not for sperm chromatin which is susceptible to decondensation. The sperm cells show oxidative damage in the nucleus, which worsen with the decrease of the antioxidant activity upon aging. Immunological and biochemical approaches indicated that oxidative damage occurred only on the sperm DNA at the periphery of the nucleus, which is enriched with persisting nucleosomes and associated to the nuclear matrix. Finally, to determine if these oxidative damages on the spermatozoa can be lowered, we studied the effects of an oral antioxidant supplement on wild type and gpx5-/- mice (Chabory et al., 2009).

Le principal intérêt de nos études présentées dans ce manuscrit, correspond à la compréhension des évènements, reliés aux acylations d’histones au niveau des lysines (Ks) dans les cellules germinales post méiotiques, qui régulent spécifiquement l’expression des gènes à l’échelle du génome entier.Dans la première partie de mon travail, nous avons élaboré une stratégie afin d’analyser le rôle des « histones acetyl transférases » (HATs), Cbp et p300, dans les cellules germinales post méiotiques. Pour ce faire, nous avons généré une lignée de souris conditionnellement et partiellement invalidée pour les gènes Cbp et p300 dans les cellules post méiotiques. Bien que les souris mâles sont fertiles et que la spermatogénèse semble se dérouler normalement, une analyse transcriptomique des cellules germinales haploïdes post méiotiques précoces et tardives nous a permis d’identifier une série de gènes dont l’expression est augmentée dans les cellules spermatogéniques tardives et qui sont sensibles à la diminution des niveaux de Cbp et p300. Ces résultats ont permis de révéler un programme spécifique d’expression de gènes dans les cellules germinales post méiotiques dépendant des HATs correspondantes.Prenant en compte qu’il existe une variété d’acylations des histones au niveau des lysines, nous avons étendu nos études à une modification à « quatre-carbone », la butyrylation. Nous avons alors initié une analyse comparative de l’acétylation et de la butyrylation de l’histone H₄ en positions K5 et K8 dans les cellules germinales mâles en différentiation. Nous avons cartographié à l’échelle du génome les marques H4K5ac, H4K5bu, H4K8ac, et H4K8bu au niveau de deux étapes développementales critiques avec les cellules méiotiques et les cellules post méiotiques haploïdes. Cette cartographie montre que la majorité des gènes exprimés fortement, à la fois dans les cellules méiotiques et les spermatides précoces rondes haploïdes, qu’au niveau des sites d’initiation de la transcription (TSSs) l’acétylation et la butyrylation sont interchangeables. De façon intéressante, beaucoup de ces promoteurs correspondants sont aussi reconnus par un régulateur essentiel de l’expression des gènes lors de la spermatogénèse, le factor à bromodomaine, Brdt. Une étude détaillée, des capacités de liaison du facteur Brdt sur les parties N-terminales de l’histone H4 portant des combinaisons variées d’acétylation et/ou de butyrylation en position K5 et K8, montre que la marque H4K5bu inhibe fortement la liaison du facteur Brdt. Nos résultats suggèrent qu’en addition à la fonction activatrice de Brdt vis-à-vis du programme d’expression de gènes méiotiques et post méiotiques, l’échange (« turnover ») induit par la butyrylation d’H4K5 est également important. Ce travail montre comment une interconnexion entre deux différentes acylations d’une même lysine peut jouer un rôle régulateur essentiel en augmentant la dynamique de liaison de la chromatine par un lecteur de lysine acétylé, Brdt.Enfin, au cours d’un travail collaboratif portant sur des approches structurales, nous avons montré, malgré le fait que p300 soit répertoriée comme une acétylase robuste, que son activité est réduite lorsque la longueur des chaines acyl augmente. Ces résultats suggèrent qu’in vivo, p300 puisse utiliser un co-facteur spécifique pour assurer des acylations d’histones autre qu’une acétylation.Ces investigations mettent en lumière comment la programmation du génome mâle est guidée par diverses acylations d’histone et révèlent pour la première fois l’existence d’un réseau moléculaire qui régule ces acylations et transmet un impact fonctionnel. / The main focus of the investigations reported in this manuscript is the understanding of the regulatory events that are based on histone lysine modifications in post-meiotic male germ cells, where specific and chromosome-wide regulations of gene expression occur. In the first part of my work we designed a strategy to specifically investigate the role of the histone acetyl-transferases (HATs), Cbp and p300, in post-meiotic male germ cells.Accordingly, we generated double Cbp and p300 conditional knock-out mice resulting in a partial depletion of Cbp and p300 in post-meiotic cells. Although the mice were fertile and spermatogenesis seemed to take place normally, a transcriptomic analysis of early and late post-meiotic germ cells led to the identification of a specific subset of genes with an increased expression in late spermatogenic cells that is highly sensitive to the decreased amounts of Cbp and p300. In conclusion, these results have revealed an interesting new gene expression program specific to post-meiotic male germ cells that are specifically regulated by the considered HATs.Taking into account the occurrence of a variety of histone lysine acylations, we extended these investigations to a four-carbon histone lysine modification, butyrylation. Accordingly, we have undertaken a comprehensive comparative analysis of histone H4 acetylation and butyrylation on its K5 and K8 positions in differentiating male germ cells. Genome-wide mapping of H4K5ac, H4K5bu, H4K8ac and H4K8bu at two critical developmental stages, meiotic and post-meiotic haploid cells, shows an interchangeable use of acetylation and butyrylation in the Transcriptional Start Sites (TSSs) of the most highly expressed genes in both meiotic and haploid round spermatids. Interestingly, many of these promoters are also bound by the essential regulator of spermatogenic gene expression, the BET bromodomain-containing factor, Brdt. A detailed analysis of Brdt binding capacity of H4 tails bearing various combinations of K5 and K8 acetylation and butyrylation showed that H4K5 butyrylation severely interferes with Brdt-binding. Our results therefore indicate that not only Brdt is required for the activation of a meiotic and post-meiotic gene expression program, but also its turnover induced by H4K5 butyrylation is equally important. This work hence highlights how an interplay between two different acylations occurring on the same lysines can play an essential regulatory role by increasing the chromatin binding dynamics of a critical lysine acetyl-reader, Brdt.Finally, in a collaborative work with structural biologists we showed that while p300 is a robust acetylase, its activity gets weaker with increasing acyl chain length. These results suggest that in vivo, p300 would use a specific co-factor to ensure non-acetyl histone acylations.Overall, these investigations shed an important light on how the male genome programming is guided by histone acylations and revealed for the first time a molecular network that regulates histone acylations and mediates its functional impact.

Des études chez les animaux ont montré que ZRF1 a une fonction lectrice au niveau de H2Aub1 dans la dérépression de gènes réprimés par polycomb. Deux gènes homologues au gène humain ZRF1 ont été identifiés dans le génome d'Arabidopsis, et ont par la suite été appelés AtZRF1 a etAtZRF1 b. La caractérisation fonctionnelle de ces gènes n'a pas encore été rapportée. Ma première objective était d'obtenir des connaissances générales sur AtZRF1 a et AtZRF1 b. Tous les deux sont exprimés dans des plantes d'Arabidopsis et la protéine AtZRF1 b est localisée dans le noyau et dans le cytoplasme. En plus, nous avons trouvé que la protéine AtZRF1 b lie H2Aub1 avec les mêmes caractéristiques que la protéine ZRF1 humaine. J'ai utilisé les outils génétiques puissants disponibles pour Arabidopsis pour étudier la fonction d'AtZRF1 a et AtZRF1 b. Plusieurs lignées d'insertion de T-DNA indépendantes ont été identifiées. A cause d'une rédondance fonctionelle,des mutants simples n'ont pas de défauts de développement évidents. C'est pourquoi j'ai étudié un mutant double qui montrent une perte de fonction pour les deux gènes AtZRF1 a et AtZRF1 b. Ce double mutant révèle des rôles importants pour ces gènes dans la croissance et le développement,qui vont de la prolifération cellulaire et la différenciation jusqu'au contrôle du temps de floraison. J'ai ensuite étudié les rôles d'AtZRF1 a et AtZRF1 b dans la régulation de la transcription et j'ai constaté que AtZRF1 a et AtZRF1 b ont une fonction similaire a PRC1. Finalement, j'ai étudié les niveaux de H3K4me3, H3K27me3 et H2Aub1 dans la chromatine de certains gènes dont l'expression est perturbée dans les doubles mutants. Les résultats montrent que la déubiquitination de H2Aubi1 n'est pas un événement majeur dans la régulation de la transcription chez Arabidopsis. / Studies in animais show that ZRF1 can read the histone H2AK119ub1 modification in the derepression of polycomb-repressed genes. Two homologs of human ZRF1 have been identified in the Arabidopsis genome, and here in after are named AtZRF1 a and AtZRF1 b. So far, their functional characterization had not been reported. My first objective was to acquire basic knowledge about AtZRF1 a and AtZRF1 b. Both are broadly expressed in Arabidopsis plants and the AtZRF1 b protein is localized in the nucleus and thecytoplasm. Moreover, we found that AtZRF1 b binds H2Aub1 with characteristics similar to those previously reported for the human ZRF1 protein. I subsequently used the powerful genetic tools available in Arabidopsis to investigate the AtZRF1 a and AtZRF1b function. Several independent T-DNA insertion Arabidopsis mutant lines were identified. Because of functional redundancy, single mutants have no obvious developmental defects. I therefore focused on double mutants displaying loss of function of both AtZRF1a and AtZRF1 b. The study of a double mutant revealed important roles for these genes in plant growth and development ranging from cell proliferation and differentiation to flowering time control.I then investigated the roles of AtZRF1 a and AtZRF1 b in gene transcription regulation and found that AtZRF1a and AtZRF1 b function in a way that is partially similar to PRC1 function. Lastly, I investigated H3K4me3, H3K27me3 and H2Aub1 levels in the chromatin regions of some expression-perturbed genes in double mutants. The results show that ZRF1-mediated deubiquitination of H2Aub1 is not a major event in transcription regulation in Arabidopsis.

FACT est une protéine clé, qui joue de multiples rôles, y compris dans la transcription et la réparation de l'ADN endommagé. Néanmoins, comment FACT participe à la réparation et à la transcription de la chromatine n'est pas élucidé. Dans ce travail nous avons tout d'abord étudié le rôle de FACT dans le processus de réparation par excision de base (BER). Nous avons utilisé des nucléosomes reconstitués avec de l'ADN à uracile incorporé au hasard. Nous avons trouvé que l'enzyme UDG est capable d'enlever les uraciles localisés du côté de la solution et pas les uraciles se trouvant en face de l'octamère d'histone. La présence simultanée de FACT et de RSC (facteur de remodelage de la chromatine, impliqué dans la réparation) permet un enlèvement efficace des uraciles localisés du côté de l'octamère d'histone par l'UDG. De plus, l'action concertée de FACT et RSC contribue à l'enlèvement de la lésion oxidative 8-oxoG, autrement inaccessible, de la matrice nucléosomale par l'enzyme OGG1. Ce résultat est obtenu grâce à une activité « co-remodelatrice » de la protéine FACT. Dans ce travail nous décrivons pour la première fois cette nouvelle propriété de FACT et nous montrons par une série d'expériences biochimiques que FACT est capable de stimuler l'activité de remodelage du RSC. Nos expériences montrent que la présence de FACT augmente l'efficacité de RSC à transformer l'énergie libérée par l'hydrolyse de l'ATP en travail « mécanique ». Les données obtenues suggèrent une nature stochastique du BER in vivo, FACT étant un facteur clé dans le processus de réparation. Nous avons également investigué l'implication de l'activité co-remodelatrice de FACT dans la fixation de NF-kB aux matrices nucléosomales. La production de nucléosomes remodelés, mais non - mobilisés (remosomes) n'est pas suffisante pour promouvoir la fixation de NF-kB. Pourtant, la mobilisation des nucléosomes par l'intermédiaire de RSC permet une interaction efficace entre NF-kB et l'ADN nucléosomal. Toutes ces données sont essentielles pour le décryptage du mécanisme moléculaire par lequel FACT agit dans le BER et dans la transcription médiée par NF-kB. / FACT is a vital protein which has multiple roles including one in transcription and repair of damaged DNA. However, how FACT assists repair and transcription remains elusive. In this work, we have first studied the role of FACT in Base Excision Repair (BER). We used nucleosomes containing DNA with randomly incorporated uracil. We found that the enzyme UDG is able to remove uracils facing the solution and not the uracils facing the histone octamer. The simultaneous presence of FACT and RSC (a chromatin remodeler involved in repair) allows, however, a very efficient removal of uracil facing the histone octamer by UDG. In addition, the concerted action of FACT and RSC permits the removal of the otherwise un-accessible oxidative lesion 8-oxoG from nucleosomal templates by OGG1. This was achieved thanks to the co-remodeling activity of FACT. Here we described for the first time this novel property of FACT and we show in a series of biochemical experiments that FACT is able to boost the remodeling activity of RSC. The experiments reveal that the presence of FACT increases the efficiency of RSC to transform the energy freed by ATP hydrolysis into “mechanical” work. The presented data suggest a stochastic nature of BER functioning in vivo, FACT being a key factor in the repair process. The implication of the co-remodeling activity of FACT in NF-kB factor binding to nucleosomal templates was also investigated. The generation of remodeled, but not mobilized nucleosomes (remosomes), was not sufficient to promote NF-kB binding. However, the RSC-induced nucleosome mobilization allows efficient NF-kB interaction with nucleosomal DNA. Our data are instrumental in deciphering the molecular mechanism of FACT implication in BER and NF-kB mediated transcription.

Chaque cellule humaine est constamment soumise à des agressions extérieures comme l'exposition aux rayons Ultra-Violets, agents chimiques, etc. ou endogènes provenant de la production de métabolites par la cellule elle-même. Ces agressions induisent des dommages dans l'ADN. Ces dommages, s'ils ne sont pas réparés correctement, peuvent induire un dérèglement des fonctions de base de la cellule qui peut alors devenir cancéreuse. Pour réparer leur ADN, les cellules activent divers mécanismes de réparation et établissent une signalisation au niveau des sites endommagés. Dans le noyau, l'ADN est associé à des protéines appelées histones pour former la chromatine. La chromatine se caractérise par différents niveaux d'organisation, aboutissant à la formation d'une structure très compacte. Cette compaction élevée de la chromatine peut représenter une barrière pour la machinerie de réparation. En effet, pour être réparé, l'ADN endommagé doit être accessible à la machinerie de réparation. Pour cela, les cellules ont développé des mécanismes permettant d'accéder à l'ADN endommagé. Ces mécanismes de réponse aux dommages à l'ADN impliquent l'activation de voies de signalisation. L'un des signaux précurseurs activés après dommage à l'ADN est la Poly-ADP-Ribosylation (PARylation). La PARylation est une modification post-traductionnelle composée d'une répétition de petites molécules appelées Poly-ADP-Riboses, qui s'accrochent notamment sur les histones pour signaler la présence de cassures dans l'ADN et permettent ainsi de recruter les protéines impliquées dans la réparation des dommages. Lorsque l'ADN est endommagé, l'activation de processus de réparation induit de manière précoce le recrutement de facteurs de remodelage de la chromatine. Le rôle exact de la signalisation via la PARylation durant les étapes précoces de la réponse aux dommages à l'ADN et plus particulièrement lors du remodelage de la chromatine reste encore mal caractérisé. Durant ma thèse, j'ai utilisé des techniques avancées en microscopie pour étudier la dynamique de la chromatine après induction de dommages à l'ADN. J'ai ainsi tenté d'élucider le rôle de la PARylation dans le mécanisme de remodelage de la chromatine au niveau des dommages dans l'ADN, en recherchant des facteurs permettant d'altérer de manière spécifique la dynamique de la chromatine. Cette méthodologie nous a permis d'identifier différents facteurs impliqués dans le remodelage de la chromatine après dommage à l'ADN. / In each human cell, many thousands of DNA lesions arise every day, challenging continuously the genome integrity. The majority of these lesions results from byproducts of normal cell metabolism or DNA replication, but they are also induced by exposure to radiations and genotoxic chemicals. The integrity of the genome is preserved by a plethora of different DNA damage signalling and repair machinery arranged by the cells. In the cell nucleus, DNA associates with scaffolding proteins to form the chromatin. The chromatin is tightly packed in the nucleus through several levels of organization. Such high-packing state poses a significant challenge for the repair machinery. Indeed, the damaged DNA needs to be accessible to repair proteins, and for that, cells have developed several mechanisms to allow the access to the damaged chromatin. The early steps of the DNA damage response involve the activation of proteins that are part of signalling pathways. One of the proteins activated upon DNA damage is PARP1, which synthetizes long and branched chains of ADP-ribose (poly-ADP-ribose or PAR) on itself and other chromatin factors, including histones. The activation of PARP1 leads to the recruitment of several effectors involved in DNA repair and chromatin remodeling. However the exact function of the PAR-signalling during early DNA damage response and in particular during chromatin remodeling at DNA breaks remains unclear. During my PhD, I used advanced fluorescent imaging tools to study in living cells the dynamics of chromatin in the nucleus at a local scale upon DNA damage. I used these tools to study PAR-dependent chromatin relaxation after DNA damage and to screen factors that selectively alter the dynamic behaviour of the damaged chromatin. This methodology allowed us to identify PAR-dependent factors involved in the local chromatin remodeling upon DNA damage.

L'ADN chromosomique des cellules eucaryotes est fortement condensé au sein d'un complexe nucléoprotéïque, la chromatine. Aussi bien l'organisation spatiale que la composition biochimique (état “épigénomique”) de la chromatine jouent un rôle fondamental dans la régulation des gènes. Grâce aux récents développements des techniques de séquençage à haut-débit, il est possible de déterminer l'état épigénomique local de la chromatine ainsi que la probabilité de contact entre deux sites génomiques (technique dite de “Hi-C”). Ces deux techniques ont permis de mettre en évidence l’existence de domaines d’interaction dont les positions corrèlent fortement avec la segmentation épigénomique de la chromatine. Cependant, les mécanismes responsables de ce couplage sont encore mal compris. L’objectif de cette thèse est de bâtir des modèles physiques permettant de valider l’hypothèse que l’épigénome est un acteur majeur dans le repliement 3D de la chromatine. Pour cela, nous avons tout d’abord développé “IC-Finder”, un algorithme permettant de segmenter les cartes Hi-C en domaines d’interaction. Nous avons alors pu quantifier précisément l’association entre épigénome et organisation de la chromatine. Les corrélations trouvées justifient l’idée de modéliser la chromatine par un copolymère par bloc dont les monomères ont chacun un état épigénomique. Dans ce cadre, nous avons développé une méthode d’inférence des potentiels d'interaction entre sites génomiques à partir des cartes Hi-C expérimentales. Ce travail permettra à plus long terme de prévoir l’organisation de la chromatine sous différentes conditions, ce qui permettra d’étudier en particulier les changements de structure résultant de l’altération de l’épigénome. / DNA of eukaryotes is highly condensed in a nucleoprotein complex called chromatin. Both the spatial organization and the biochemical composition (“epigenomic” state) of the chromatin are fundamental for gene regulation. Remarkably, recent studies indicate that1D epigenomic domains tend to fold into 3D topologically associated domains (TADs) forming specialized nuclear chromatin compartments. In this thesis, we address the question of the coupling between chromatin folding and epigenome. We first built a software called IC-finder to segment HiC maps into interacting domains. We next used it to quantify correlations between the TADs and epigenomic partitions of the genome. This led us to develop a physical model of the chromatin with the working hypothesis that chromatin organization is driven by physical interactions between epigenomic loci. We modeled chromatin as a block copolymer where each block corresponds to an epigenomic domain. With this framework, we developed a method to infer interaction parameters between chromatin loci from experimental Hi-C map. An outcome of such inference process would be a powerful tool to predict chromatin organization in various conditions, allowing investigating in silico changes in TAD formations and long-range contacts when altering the epigenome.

Pendant longtemps, la chromatine a été uniquement décrite comme un moyen de compacter près de deux mètres d’ADN dans un noyau de quelques micromètres de diamètre. On sait aujourd’hui que la chromatine représente en fait un élément majeur de régulation de toutes les fonctions nucléaires impliquant l’ADN. Dans le contexte de dommages de l’ADN induits par irradiations UV, la chromatine endommagée subit une décondensation rapide et transitoire qui l’amène à occuper un volume 1,5 fois plus grand que son volume initial. Cette relaxation chromatinienne est associée à une plus grande accessibilité de l’ADN. Néanmoins, le lien entre ces deux effets découlant de la présence de dommages, n’a pas été établi, ni caractérisé. En couplant l’imagerie de cellules vivantes à l’induction de dommages ciblés au sein de noyaux cellulaires par micro-irradiation laser, ces travaux ont permis de mettre en évidence le rôle majeur de PARP1 dans la réponse chromatinienne aux dommages de l’ADN. En effet, certaines conclusions contradictoires présentes dans la littérature scientifique concernant l’action de PARP1 sur la chromatine ont été réconciliées en démontrant que PARP1 seul peut se lier à la chromatine et entraîner une plus forte compaction de celle-ci, tandis que son activité catalytique de PARylation va, quant à elle, conduire à une décompaction de la structure chromatinienne. Cette étude s’est aussi intéressée à la dynamique particulière de l’histone H1 suite aux dommages de l’ADN. En effet, celui-ci est rapidement exclu des zones de dommages par un mécanisme encore inconnu, et les éléments apportés ici suggèrent que H1 pourrait jouer un rôle dans la décondensation de la chromatine suite aux dommages de l’ADN. Pour finir, des techniques de photo-perturbation et de spectroscopie de corrélation de fluorescence ont été employées pour comprendre et caractériser l’environnement moléculaire que constitue la chromatine endommagée et décondensée. Bien qu’une augmentation significative des interactions entre la chromatine et certains de ses partenaires d’interactions soit observée au sein des zones endommagées, aucun changement en termes d’encombrement moléculaire n’a pu être mis en évidence à ce niveau qui pourrait expliquer une plus grande accessibilité de l’ADN. / For a long time, chromatin was only described as a mean to fit the two-meters long DNA molecule into a nucleus of only a few microns. It is admitted today that chromatin actually represents a key element in the regulation of all nuclear functions dependent on DNA. In the context of UV-induced DNA damage, chromatin undergoes a rapid and transient relaxation which leads to an expansion of the damaged area to 1.5 times its original size. While this chromatin response to damage is associated with a higher DNA accessibility, the link between those two phenomena, as well as the mechanisms driving them, are still poorly understood. Using live-cell imaging and laser micro-irradiation to induce DNA damage on specific nuclear areas, this work allowed to gain hindsight on the predominant role played by PARP1 in the DNA damage-induced chromatin relaxation. Indeed, showing that PARP1 at DNA damage sites can both induce chromatin compaction through its recruitment at DNA breaks or chromatin decondensation through its PARylation activity helped reconcile its apparent opposite effects described in the literature. A focus was also made on the linker histone H1, as it displays a peculiar behavior upon DNA damage, being rapidly released from the site of DNA lesions. Even if the driving force behind H1 release from damaged chromatin areas has not been identified yet, its behavior suggests that H1 might play a part in chromatin relaxation or in increasing DNA accessibility upon DNA damage. Lastly, combining photo-activation techniques and fluorescence correlation spectroscopy, experiments were performed in order to understand the physical environment that damaged, relaxed chromatin constitutes. We report here that, while enhanced binding of random DNA binding factors is observed in the damaged chromatin area, no significant change is observed in the macromolecular crowding levels that could potentially explain this enhanced binding, as well as a higher DNA accessibility.

L’acquisition et le maintien de l’identité d’un neurone sont assurés par des facteurs de transcription terminaux exprimés durant toute la vie du neurone. Cependant le processus d’expression génique peut être très bruité. L’objectif de mon projet de thèse est de déterminer comment un neurone peut acquérir et maintenir son identité de manière fiable malgré ce bruit intrinsèque, en utilisant le modèle C. elegans. En combinant des techniques récentes d’ingénierie du génome par CRISPR et des méthodes d’imagerie quantitative in vivo, j’ai observé que l’expression endogène des facteurs de transcription terminaux est fortement bruitée. J’ai également établi que des mutations dans le complexe chromatinien PRC1 induisent une perte stochastique de l’identité de certains neurones au cours du temps. Le complexe PRC1 agit directement au sein des neurones. Il affecte le niveau d’initiation de l’expression des facteurs de transcription terminaux durant l’embryogenèse ainsi que la fiabilité de la maintenance de leur expression aux stades larvaires et adultes. En conclusion, mon travail suggère que le complexe PRC1 joue un rôle important dans la protection des neurones contre le bruit génique, les aidant ainsi à acquérir et maintenir de manière fiable leur identité. / The acquisition and maintenance of neuronal identity is driven by terminal transcription factors expressed throughout the life of the neuron. However, the gene expression process can be noisy. The aim of my PhD work is to determine how a neuron can acquire and maintain its identity in a reliable manner despite this intrinsic noise, using C. elegans as a model system. Combining recent techniques of genome engineering by CRISPR with in vivo quantitative imaging, I observed that the endogenous expression of terminal transcription factors is highly noisy. I also established that mutations in the chromatin complex PRC1 induce a stochastic loss of the identity of some neurons over time. The PRC1 complex directly acts in the neurons. It affects the levels of initiation of the terminal transcription factors during embryogenesis as well as the reliability of their maintenance at larval and adult stages. To conclude, my work suggests that the PRC1 complex plays an important role to protect neurons against gene expression noise, helping them to acquire and maintain their identity in a reliable manner.

Les terminal balls qui constituent des complexes de maturation sont détectées<p>à l’extrémité 5’-terminale des transcrits ribosomiques naissants dans tous les organismes<p>eucaryotes inspectés à ce jour ;générant les images de référence en « arbres de Noël ».<p>La compaction séquentielle des « terminal balls », à présent également dénommées<p>« SSU-processome », reflète les étapes d’assemblage co-transcriptionnel des ribosomes.<p>Au cours de ma thèse, j’ai développé une stratégie expérimentale basée sur<p>l’immunoprécipitation de chromatine (ChIP) qui m’a permis de valider, et ce pour la<p>première fois, in vivo la structure des branches des arbres de Noël (en particulier un<p>rapprochement du « SSU-processome » à l’extrémité 5’- du gène encodant l’ARNr 25S).<p>Notre stratégie nous permet également d’aborder la composition moléculaire des « arbres<p>de Noël ».<p>La biogenèse du ribosome est un processus complexe et dynamique dont la<p>finalité est la synthèse et l’assemblage de 4 molécules d’ARN et de ~80 protéines<p>ribosomiques dans un processus qui requiert l’intervention transitoire et concertée de non<p>moins de 400 facteurs de maturation. D’une telle complexité a récemment émergé le<p>concept de l’existence de modules pré-assemblés autonomes de facteurs de maturation.<p>Dans le cas du « SSU-processome », les trois sous-complexes UTP-A, UTP-B, UTP-C<p>ont d’ores et déjà été décrits. L’existence de tels sous-complexes renforce la notion d’un<p>mécanisme d’assemblage hautement hiérarchisé. En effet, il s’est avéré que l’extrémité<p>5’- du transcrit naissant est initialement liée par le sous-complexe UTP-A dans une étape<p>qui est un pré-requis indispensable au recrutement et à l’assemblage des autres<p>composants du « SSU-processome ». Avec autant d’étapes distinctes dans le processus<p>d’assemblage, la possibilité d’erreur est conséquente, d’où l’importance de l’existence de<p>mécanismes de contrôles de qualité.<p>Toutes les protéines constituant le « SSU-processome » sont requises au clivage<p>des précurseurs d’ARN ribosomique. Préalablement à mon travail, les 7 sous-unités<p>protéiques du complexe UTP-A avaient, en outre, spécifiquement été impliquées dans la<p>synthèse de l’ARN, c’est-à-dire dans la fonction de l’ARN polymérase I. Ceci leur a<p>conféré leur seconde appellation de tUTP, pour transcription UTP, et offert les prémices<p>de l’existence d’une interface physique et fonctionnelle entre les machineries de synthèse<p>et de maturation des ARNr. Au cours de ma thèse, j’ai démontré qu’il n’en est rien. Une<p>inspection minutieuse m’a en effet révélé que les tUTP/UTP-A ne sont nullement<p>requises à la synthèse des ARN ribosomiques mais bien à leur stabilité. Cette observation<p>m’a mené à proposer que la cellule a développé au cours de l’évolution un mécanisme de<p>contrôle de qualité par lequel elle s’assure de l’intégrité des étapes initiales d’assemblage<p>(liaison du complexe UTP-A ). Mon postulat est qu’en l’absence de la liaison de ces<p>facteurs de maturation précoces, les ARN sont rapidement dégradés par un mécanisme<p>que nous avons dénommé « Death by Default (DBD) » par l’activité de surveillance<p>nucléolaire exercée par le complexe de polyadényaltion TRAMP et d’exoribonucléases<p>3’-5’ l’ Exosome. / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie moléculaire / info:eu-repo/semantics/nonPublished