Les corps nucléaires PML (CNs) sont des structures sphériques organisées par la protéine PML où, de nombreuses protéines impliquées dans divers processus biologiques tels que la sénescence, la mort cellulaire ou la défense virale, y sont recrutées. Ces protéines ont été identifiées individuellement dans des études spécifiques mais aucune étude n’avait permis la purification des CNs et l’établissement de liste des partenaires de PML de façon systématique. La protéine PML est sensible à l’oxydation et le stress oxydant promeut son assemblage en CNs permettant le recrutement de l’enzyme E2 clé de la conjugaison, UBC9. Les interférons (IFNs), cytokines aux propriétés antivirales induisent l’expression de PML. L’arsenic et les IFNs augmentent l’assemblage des CNs.Dans cette étude nous avons exploré, in vivo, le rôle de PML dans la sumoylation en réponse au stress en utilisant deux modèles de souris et un modèle cellulaire, les cellules souches embryonnaires de souris (mESC), exprimant des versions taguées de SUMO1 ou SUMO2. Nous avons montré que PML augmente rapidement la sumoylation dans les foies de souris KI His6-HA-SUMO1 en réponse aux traitements arsenic/IFN. De façon similaire, dans la leucémie aiguë promyélocytaire (LAP), où les CNs sont désorganisés, l’arsenic promeut la reformation des CNs et la conjugaison par SUMO. L’analyse par spectrométrie de masse quantitative des conjugués His10-SUMO2 a permis de mettre en évidence une liste de protéines sumoylées en réponse au traitement thérapeutique à l’arsenic. Parmi ces protéines, TRIM28/KAP1 et d’autres protéines appartenant au même complexe régulant la chromatine ont été identifiées. TRIM28, qui joue un rôle clé dans la répression des rétrovirus endogènes (ERV) dans les mESC, est sumoylée de façon dépendante de PML dans ces cellules. Les CNs régulent également l’ubiquitinylation et la dégradation dépendante du protéasome, de certaines de ces protéines. Enfin, nous avons montré que les CNs favorisent la formation de chaînes SUMO2/3, expliquant le rôle des CNs dans la dégradation des protéines. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que les CNs sont des compartiments nucléaires qui contrôlent la conjugaison de diverses protéines dans des conditions physiologiques de stress cellulaire, montrant pour la première fois leur activité de contrôle de MPT in vivo. / PML drives assembly of PMLNuclear Bodies (NBs) where it recruits hundreds of serendipitously-identified proteins, among which the key UBC9 E2-sumoylation enzyme. Interferons (through transcriptional PML induction) and arsenic or oxidative stress (through PML aggregation) dramatically enhance NB assembly. Here we directly investigated any role for PML in stress-responsive sumoylation in vivo. We demonstrate that PML very rapidly promotes arsenic/interferon-responsive sumoylation in mouse liver or mouse embryonic stem cells. Similarly, in Acute Promyelocytic Leukemia (APL), where PML NBs are disorganized in the basal state, arsenic therapy promoted NB-reformation and broad SUMO-conjugation. Label free quantitative proteomic analysis of His10-SUMO2-conjugates revealed a comprehensive list of therapy-responsive sumoylated proteins, among which TRIM28 and other proteins belonging to the same epigenetic complex. PML NBs-regulated sumoylation also drives ubiquitination and proteasome-dependent degradation of some targets. Finally, by expressing conjugation-resistant SUMO2, we demonstrate that PML NBs promotes processive SUMO2/3 chain elongation, thus explaining PML role in partner degradation. Collectively, our findings highlight the key activity of NBs in stress-regulated sumoylation/degradation in vivo.

PML et les corps nucléaires (CN) sont impliqués dans la défense antivirale. En effet, notre équipe a montré que la surexpression de PMLIII confère la résistance au virus de la stomatite vésiculaire, au virus de l'influenza, au virus foamy mais pas au virus de l'encéphalomyocardite (EMCV). J'ai montré dans mon travail de thèse que l'EMCV contrecarre le pouvoir antiviral de PMLIII en induisant sa dégradation par un processus dépendant du protéasome et de SUMO. Cependant, les cellules de souris invalidées pour PML sont plus sensibles à l'infection par l'EMCV que les cellules issues de souris parentales. Pour déterminer l'isoforme de PML responsable de cet effet antiviral, j'ai analysé l'effet des sept isoformes de PML (PMLI-VII) et j'ai montré que seule l'expression en stable de PMLIV confère la résistance à l'EMCV en séquestrant la polymérase virale 3Dpol au sein des CN PML. De plus la déplétion de PMLIV augmente la production de l'EMCV dans les cellules traitées par l'interféron. Ces données indiquent le mécanisme par lequel PML confère la résistance à l'EMCV et révèlent que PML est l'une des protéines médiatrices des effets anti-EMCV de l'interféron.

PML et les corps nucléaires (CN) sont impliqués dans la défense antivirale. En effet, notre équipe a montré que la surexpression de PMLIII confère la résistance au virus de la stomatite vésiculaire, au virus de l'influenza, au virus foamy mais pas au virus de l’encéphalomyocardite (EMCV). J’ai montré dans mon travail de thèse que l’EMCV contrecarre le pouvoir antiviral de PMLIII en induisant sa dégradation par un processus dépendant du protéasome et de SUMO. Cependant, les cellules de souris invalidées pour PML sont plus sensibles à l’infection par l’EMCV que les cellules issues de souris parentales. Pour déterminer l’isoforme de PML responsable de cet effet antiviral, j’ai analysé l’effet des sept isoformes de PML (PMLI-VII) et j’ai montré que seule l’expression en stable de PMLIV confère la résistance à l’EMCV en séquestrant la polymérase virale 3Dpol au sein des CN PML. De plus la déplétion de PMLIV augmente la production de l’EMCV dans les cellules traitées par l’interféron. Ces données indiquent le mécanisme par lequel PML confère la résistance à l’EMCV et révèlent que PML est l’une des protéines médiatrices des effets anti-EMCV de l’interféron. / PML and nuclear bodies (NBs) are implicated in antiviral defense. Indeed, our team showed that overexpression of PMLIII confers resistance to vesicular stomatitis virus, influenza virus, foamy virus but not to encephalomyocarditis virus (EMCV). I have shown during my thesis that EMCV counteracts the antiviral effect of PMLIII by inducing its degradation in SUMO and proteasome-dependent way. However, cells derived from PML knockout mice are more susceptible to EMCV infection than wild-type cells. To determine the isoforme of PML implicated in this antiviral effect, I analysed the effect of the seven PML isoforms (PMLI-PMLVII) and I showed that only stable expression of PMLIV confers resistance to EMCV by sequestring the viral polymérase 3Dpol in PML Nbs. In addition, depletion of PMLIV boosted EMCV production in interferon-treated cells. These finding sindicate the mechanism by which PML confers resistance to EMCV and reveal a new pathway mediating the antiviral activity of interferon against EMCV.

La nature stochastique de l'expression génique est maintenant clairement établie expérimentalement et apparaît comme une composante à part entière de la dynamique cellulaire. Une source importante de cette variabilité est liée au caractère dynamique des diverses structures multiprotéiques impliquées dans le processus d'expression génique. Nous étudions ici, par la modélisation, comment les interactions entre des molécules au comportement individuel probabiliste sont susceptibles de faire naître des dynamiques globales pouvant influencer l'expression génique. Nous nous concentrons plus particulièrement sur deux aspects du processus d'expression : d'une part, son caractère spatialisé au sein d'un noyau cellulaire structuré et dynamique et, d'autre part, la combinatoire des événements moléculaires stochastiques au niveau du promoteur d'un gène. Pour l'étude des phénomènes d'organisation mésoscopique au sein du noyau cellulaire, nous proposons un modèle de simulation "4D" (intégrant l'espace et le temps). Il emprunte différentes techniques aux formalismes des échelles inférieures (moléculaires) et supérieures (cellulaires), en gardant les aspects essentiels à notre étude (individualité de certaines molécules, exclusion stérique, interactions électromagnétiques, réactions chimiques . . .). Afin d'étudier spécifiquement la dynamique stochastique de la régulation transcriptionnelle, nous proposons un second modèle décrivant les événements d'association/dissociation et de modification de la chromatine en se basant sur l'affinité coopérative/compétitive des molécules et leur potentielle activité enzymatique ou de remodelage. Par des techniques analytiques et computationnelles, nous caractérisons alors l'activité du promoteur à l'aide d'outils de théorie du signal, mais aussi en reproduisant les mesures obtenues par diverses techniques expérimentales (cinétique de ChIP, FRAP, FRET, cytométrie de flux . . .). L'analyse de ce modèle démontre que l'activité spontanée du promoteur peut être complexe et structurée, présentant en particulier des dynamiques multi-échelles similaires à celles observées expérimentalement (turnover rapide des molécules, comportements cycliques lents, hétérogénéités transcriptionnelles . . .). Nous montrons enfin comment la confrontation de mesures expérimentales de diverses natures peut renseigner sur la structure du système sous-jacent. Ce modèle apparaît alors comme un cadre théorique général pour l'étude de la dynamique des promoteurs et pour l'interprétation intégrée de données expérimentales.

Les cassures double-brin de l’ADN (CDB) sont des événements clés dans la réponse aux rayonnements ionisants qui, avec le profil génétique et épigénétique individuel, peuvent conditionner le devenir des tissus sains d’un individu exposé. À la suite des cassures de la molécule d’ADN et de la déstabilisation de la chromatine, une série de modifications post-traductionnelles des histones se produit, notamment la phosphorylation de la serine 139 de l'histone H2A.X (gamma-H2A.X), conduisant à la formation de foyers radio-induits. La réparation des CDB, et donc la disparition de ces foyers, a lieu dans les heures suivant l’exposition. Toutefois, une certaine proportion de ces foyers gamma-H2A.X persiste 24 heures après l’irradiation. La nature et le rôle de ces foyers persistants sont encore peu clairs. L’objectif de ce travail est d'explorer les caractéristiques de ces foyers persistants et leurs conséquences sur le devenir des cellules. Pour étudier la dynamique des foyers radio-induits, nous avons exposé des HUVEC synchronisées en phase G0/G1 à des doses de 1 et 5 Gy de rayons X. Les foyers radio-induits ont été étudiés à partir de 10 minutes et jusqu'à 7 jours après l'exposition par l’analyse de gamma-H2A.X et de l’association temporelle de la protéine 53BP1 et des CN-PML (corps nucléaires PML). L’impact des foyers persistants sur la prolifération cellulaire a également été exploré. Nous avons analysé en microscopie à fluorescence une moyenne de 4 000 cellules pour chaque condition à l'aide d'une analyse d’image permettant la détection automatique des noyaux et des foyers. L'analyse d'un grand nombre d‘évènements nous a permis de discriminer des sous-populations de cellules ou de foyers sur la base de différentes caractéristiques, telles que leur aire ou la phase du cycle cellulaire, et de mesurer leur représentativité dans l'ensemble de la population de cellules exposées. Ainsi, nous avons déterminé que les foyers gamma-H2A.X persistant ont une aire supérieure à 0,72 ± 0,11 µm² et qu’ils sont toujours colocalisés avec 53BP1. Plus de 70% des cellules exposées à 5 Gy ont au moins un foyer persistant 24 heures après l'exposition. De plus, ces foyers persistants sont observables au moins jusqu'à 7 jours après l’irradiation. Une association spatiale significative entre les CN-PML et les foyers gamma-H2A.X a été observée à partir de 10 minutes après l'exposition et 24 heures après l’exposition, environ 90% des foyers persistants sont associés à un CN-PML. De plus, la présence de foyers persistants ne bloque pas définitivement la prolifération des cellules. Cependant, la fréquence des foyers persistants est plus faible dans les cellules filles que dans les cellules irradiées, probablement en raison d'une certaine proportion de distribution asymétrique des foyers persistants entre les cellules filles. Nous avons également mesuré une corrélation positive entre la présence d'un foyer persistant et la probabilité de mauvaise ségrégation de l'ADN par l'observation de phénomènes de catastrophes mitotiques. Il semble donc que la structure formée après le passage d'un foyer persistant à travers les phases S et G2 soit susceptible d’empêcher la séparation correcte des chromatides sœurs du chromosome affecté. Nous suggérons donc que la nature des foyers persistants n’est pas la même avant et après la première division cellulaire due à une résolution anormale de l'anaphase. Ces assemblages chromosomiques atypiques résultants d’anaphases anormales pourraient être létaux pour la cellule ou entraîner un déséquilibre du dosage génique et une instabilité génomique accrue pouvant conduire à une mosaïque de phénotypes cellulaires. / The DNA double-stranded breaks (DSB) are key events in the cell response to ionizing radiation that may affect, with the individual genetic and epigenetic profile, the fate of healthy tissues of people exposed. Following initial breaks and chromatin destabilization, a set of post-translational modifications of histones occurs, including the phosphorylation of serine 139 of histone H2AX (gamma-H2A.X), which leads to the formation of ionizing radiation-induced foci (IRIF). DSB repair results in the disappearance of most IRIF within hours after exposure. However, a proportion of IRIF remains 24 hours upon irradiation. The nature and role of these persistent IRIF are still unclear. The goal of this work is to explore the characteristics of these persistent IRIF and their consequences on the cell behavior. To investigate the dynamic of IRIF in our model, we exposed G0/G1-phase synchronized HUVECs to 1 or 5 Gy of X-rays. IRIF were studied from 10 minutes up to 7 days after exposure by monitoring gamma-H2A.X foci, their temporal association with 53BP1 protein and PML NBs (Promyelocytic leukemia nuclear bodies), and their impact on cell proliferation. We analyzed a mean of 4 000 cells for each condition using an automated detection of nuclei and foci. The analysis of a large number of cells and foci allowed us to screen subpopulations of cells or foci through different characteristics, such as size, shape or cell cycle phase among others, and to weight their representativeness in the whole population of exposed cells. We identified that persistent gamma-H2A.X foci after irradiation had a size superior to 0.72 ± 0.11 µm² and always collocated with 53BP1. More than 70% of cells exposed to 5 Gy had at least one persistent IRIF 24 hours after exposure and we observed these persistent IRIF up to 7 days post irradiation. A significant spatial association between PML NBs and IRIF was observed from 10 minutes after exposure; at 24h post irradiation, around 90% of persistent IRIF were associated with PML NBs. Moreover we demonstrated that persistent IRIF did not block cell proliferation definitively. The frequency of IRIF was lower in daughter cells, probably due to a certain amount of asymmetric distribution of IRIF between them. We report a positive association between the presence of an IRIF and the likelihood of DNA missegregation by observation of mitotic catastrophes. Hence, the structure formed after the passage of a persistent IRIF across the S and G2 phases may impede the correct segregation of sister chromatids of the chromosome affected. Consequently, the nature of IRIF in the nucleus of daughter cells might differ before and after the first cell division due to an abnormal resolution of anaphase. The resulting atypical chromosomal assembly may be lethal or result in a gene dosage imbalance and possible enhanced genomic instability, and could lead to a patchwork of cell phenotypes.

Le rôle fonctionnel des transcrits de l’hétérochromatine péricentromérique reste à ce jour largement incompris chez les eucaryotes supérieurs. Néanmoins, il a été montré que ces transcrits sont soumis à un contrôle très précis, fonction du cycle cellulaire. La régulation de la transcription est fortement contrôlée par la structure de la chromatine qui peut être modifiée localement en changeant la composition biochimique du nucléosome, notamment par l’utilisation des variantes d’histones. L’objectif de ma thèse a été de mieux comprendre le rôle de la protéine chaperonne d’histone DAXX et de sa variante d’histone H3.3 dans la régulation de la transcription des séquences répétées péricentromériques. Par la méthode de purification TAP-TAG, les partenaires spécifiques de DAXX ont été identifiés à partir d’extraits solubles nucléaires de fibroblastes embryonnaires murins. Ces analyses ont mis en évidence que CAF-1, classiquement associé à H3.1, et les facteurs de remodelage de la chromatine ATRX et CHD4 interagissent spécifiquement avec DAXX. Le rôle de ces protéines dans le contrôle de la transcription de l’hétérochromatine péricentromérique a ensuite été mis en évidence par une approche combinant l’interférence ARN et la Q-PCR. Enfin, les résultats suggèrent fortement que ces mécanismes de régulation ont lieu au niveau des corps nucléaires PML. L’ensemble de ces données montre qu’il existe une régulation spatio-temporel très fine de la structure de la chromatine régulant la transcription de l’hétérochromatine péricentromérique. / The functional role of pericentromeric heterochromatin transcripts remains largely unknown in higher eukaryotes. Nevertheless, it has been shown that these transcripts are subject to very precise control, depending on the cell cycle. Regulation of transcription is tightly controlled by chromatin structure that can be modified locally by changing the biochemical composition of the nucleosome, including the use of histone variants. The aim of my thesis was to better understand the role of the histone chaperone protein DAXX and its histone variant H3.3 in the regulation of transcription of pericentromeric repeats. By the method of TAP-TAG purification, DAXX specific partners were identified from soluble nuclear extracts of murine embryonic fibroblasts. These analyzes revealed that CAF-1, classically associated with H3.1, and the chromatin remodeling factors, ATRX and CHD4, specifically interact with DAXX. The role of these proteins in the control of transcription of pericentromeric heterochromatin was then highlighted by an approach combining RNAi and Q-PCR. Finally, the results strongly suggest that these regulatory mechanisms take place at PML nuclear bodies. Taken together, these data show that there is a spatio-temporal regulation of the fine structure of chromatin regulates transcription of pericentromeric heterochromatin.

L'établissement de latence du virus de l'Herpès simplex 1 (HSV1) est contrôlé par les corps nucléaires PML (PML-NBs) mais leur implication exacte reste encore confuse. Une des caractéristiques majeures de la latence du virus est l'interaction entre le génome viral et les PML-NBs formant des structures nommées viral DNA-containing PML-NBs (vDCP-NBs). L'utilisation d'un modèle d'infection de fibroblastes primaires humains, qui reproduit la formation des vDCP-NBs, combinée à une approche par immuno-FISH, a permis de montrer que les vDCP-NBs contiennent l'histone H3.3 et ses chaperons, les complexes DAXX-ATRX et HIRA. La protéine HIRA a été également observé au sein des vDCP-NBs dans les neurones des ganglions trijumeaux de souris infectées par HSV1. Des expériences de ChIP-qPCR dans des cellules exprimant H3.3 ou H3.1 tagguées, nous a permis de déterminer que le génome viral est spécifiquement chromatinisé avec l'histone H3.3. La déplétion d'une seule protéine des complexes chaperons de H3.3 affecte légèrement l'incorporation de H3.3 dans les génomes viraux latents. Au contraire, l'absence de PML diminue significativement la chromatinisation H3.3 du génome HSV-1 latent sans remplacement par H3.1. Cette étude démontre une régulation épigénétique du génomes HSV1 latent par une chromatinisation dépendante de H3.3 impliquant les complexes chaperons DAXX-ATRX et HIRA. De plus, cette étude révèle un rôle majeur des PML-NBs dans la chromatinisation H3.3 des génomes HSV1 latent / Herpes simplex virus 1 (HSV-1) latency establishment is tightly controlled by PML nuclear bodies (PML-NBs) although their exact implication is still elusive. A hallmark of HSV-1 latency is the interaction between latent viral genomes and PML-NBs leading to the formation of viral DNA-containing PML-NBs (vDCP-NBs). Using a replication defective HSV-1 infected human primary fibroblast model reproducing the formation of vDCP-NBs, combined with an IF-FISH approach developed to detect latent HSV-1, we show that vDCP-NBs contain both histone H3.3 and its chaperone complexes, i.e. the DAXX/ATRX and the HIRA complex. HIRA was also detected co-localizing with vDCP-NBs present in trigeminal ganglia neurons from HSV-1 infected WT mice. ChIP-qPCR performed on fibroblasts stably expressing tagged H3.3 or H3.1 show that latent HSV1 genomes are chromatinized almost exclusively with H3.3. Depletion of single proteins from the H3.3 chaperone complexes only mildly affects H3.3 deposition on the latent HSV1 genome. In contrast, absence of PML significantly impacts on the chromatinization of the latent genomes with H3.3 without replacement with H3.1. Consequently, the study demonstrates a specific epigenetic regulation of latent HSV-1 through an H3.3-dependent HSV-1 chromatinization involving both H3.3 chaperones DAXX/ATRX and HIRA complexes. Additionally, the study reveals that PML-NBs are major actors of the latent HSV-1 H3.3 chromatinization through a PML-NBs/histone H3.3/H3.3 chaperones axis