Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) and associated (Cas) proteins form the basis of a prokaryotic adaptive immune system. Acquired sections of viral DNA are stored within the host genome as ‘spacers' flanked by ‘repeat' sequences. The CRISPR arrays are transcribed and processed to release mature CRISPR RNAs (crRNAs) – containing a single, intact spacer sequence – that are used by effector complexes to base-pair with matching hostile genetic elements and silence future infections. crRNA-biogenesis is thus an essential step within the defence pathway. Within Type I and III systems, the primary processing of the CRISPR transcript at repeat sites is performed almost exclusively by the CRISPR-specific riboendonuclease, Cas6. This thesis seeks to probe the catalytic mechanism of a Cas6 enzyme from the crenarchaeon Sulfolobus solfataricus (sso). Despite analogous generation of crRNA, ssoCas6 paralogues differ from previously characterised Cas6 examples in their lack of a canonical active site histidine residue. The work here builds on recent crystallographic evidence that the ssoCas6-1 paralogue unexpectedly adopts a dimeric conformation (PDB 3ZFV, 4ILR), to show that not only is the ssoCas6-1 dimer stable in solution but that this atypical arrangement is important to the activity of this particular enzyme. Furthermore, the ssoCas6-1 paralogue is shown to be the first in this family of endonucleases to employ multiple-turnover kinetics. The widespread diversity in Cas6 catalytic mechanisms reflects the plastic nature of the Cas6 active site and rapid co-evolution with substrate repeat sequences. The CRISPR/Cas environment within S. solfataricus is highly complex, containing three co-existing system types (Type I-A, III-A, III-B), five Cas6 paralogues and two families of CRISPR loci (AB and CD) that differ by repeat sequence. By probing the activity of an additional ssoCas6 paralogue (ssoCas6-3), which reveals different substrate specificities to those of ssoCas6-1, evidence emerges for functional coupling between ssoCas6 paralogues and downstream effector complexes, sufficient to regulate crRNA uptake and possibly even complex assembly.

Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist ein vielseitiger Modellorganismus sowohl in der Grundlagenforschung als auch für biotechnologische Anwendung. Für die genetische Veränderung wurden verschiedene Methoden entwickelt, jedoch ist die gezielte Modifikation kerncodierter Gene immernoch sehr schwierig. In dieser Arbeit wird eine Strategie vorgestellt, die es ermöglicht, kerncodierte Gene in Chlamydomonas gezielt mit sequenzspezifischen Zinkfinger-Nukleasen zu verändern. Das COP3-Gen, welches den lichtaktivierbaren Ionenkanal Kanalrhodopsin-1 codiert, diente hierbei als Zielsequenz der für die Deletion hergestellten Zinkfinger-Nukleasen. Um eine Charakterisierung der ZFNs zu ermöglichen, wurde ein Modelstamm generiert, der ein inaktiviertes Markergen enthält. Die Inaktiverung erfolgte hierbei durch Insertion der COP3-ZFN Zielsequenz. Die Transformation dieses Modellstamms mit ZFN codierender Plasmid-DNA und einem Reparatur-Template ermöglichte die Wiederherstellung der Markeraktivität und eine Selektion Antibiotika-resistenter Kolonien. Wenn in diesen Experimenten zusätzlich ein COP3 veränderndes Template benutzt wurde, enthielt 1% der analysierten Klone ein mutiertes COP3-Gen. Der Chlamydomonas Augenfleck ist ein lichtsensitives Organell mit entscheidender Funktion für die phototaktische Orientierung der Alge. Eine Deletionsmutante des Blaulicht-Photorezeptors Phototropin zeigte in Experimenten eine veränderte Regulation der lichtabhängigen Augenfleckgröße. Durch Komplementierung der Phototropin-Dysfunktion konnte der lichtabhängige Regulationsprozess wiederhergestellt werden. Die Expression der Phototropin-Kinasedomäne führte zu einer lichtunabhängigen Reduktion der Augenfleckfläche. Interessanterweise führte auch die Expression der N-terminalen LOV-Domänen zu einer geänderten Regulation des Augenflecks und der Phototaxis. Dies deutet, zusätzlich zur Lichtregulation der Kinasedomäne, auf eine zelluläre Signalfunktion der LOV-Domänen hin. / The unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii is a versatile model for fundamental and biotechnological research. A wide toolset for genetic manipulation has been developed for this alga, but specific modification of nuclear genes is still not routinely possible. Here we present a nuclear gene targeting strategy for Chlamydomonas that is based on the application of zinc-finger nucleases (ZFNs). Initially, we designed a set of ZFNs for targeting the COP3 gene that encodes the light-activated ion channel channelrhodopsin-1. To evaluate the designed ZFNs, we constructed a model strain by inserting a non-functional selection marker interspaced with a short COP3 target sequence into the nuclear genome. Upon co-transformation of this recipient strain with the engineered ZFNs and a DNA repair template, we were able to restore marker activity and select antibiotic resistant clones with active nucleases. In cases where cells were co-transformed with a modified COP3 template, 1% of these clones contained a modified COP3 locus as well. The eyespot of Chlamydomonas is a light-sensitive organelle important for phototactic orientation of the alga. Here we found that eyespot size is downregulated in light. In a strain in which the blue light photoreceptor phototropin was deleted, the light regulation of the eyespot size was affected. We restored this dysfunction in different phototropin complementation experiments. Complementation with the phototropin kinase fragment reduced the eyespot size, independent of light. Interestingly, overexpression of the N-terminal LOV-domains alone also affected eyespot size and phototaxis, suggesting that aside from activation of the kinase domain, they fulfill an independent signaling function in the cell. We propose that phototropin is a light regulator of phototaxis that desensitizes the eyespot when blue light intensities increase.

L'encodage du signal acoustique en impulsions nerveuses se réalise au niveau des synapses à ruban des cellules ciliées internes (CCI) de la cochlée. Une dépolarisation déclenche l'exocytose des vésicules synaptiques suite à l'activation des canaux calciques CaV1.3 et à l'action d'un senseur calcique particulier, l'otoferline, une grande protéine se composant d'un domaine transmembranaire en C-terminal et de six domaines C2 (A-F) pouvant lier le Ca2+ et les phospholipides. Afin de caractériser le rôle de ces différents domaines C2, nous avons utilisé des vecteurs viraux (AAV) permettant l'expression de formes raccourcies de l'otoferline (mini-Otof) in vivo dans les CCI de souris dépourvues d'otoferline (Otof -/-). Nous montrons que les mini-Otof contenant les domaines C2-EF, C2-DEF ou C2-ACEF sont suffisantes pour restaurer l'exocytose rapide des CCI Otof -/-, sans toutefois restaurer l'audition car le recrutement des vésicules synaptiques reste altéré. Nous révélons pour la première fois la présence d'une endocytose ultra-rapide (t < 20 ms) dynamine- et otoferline-dépendante, une fonction certainement essentielle à l'homéostasie membranaire des CCI. L'expression des mini-Otof C2-EF et C2-DEF a également permis de restaurer partiellement la composante rapide de l'inactivation du courant calcique des CCI, celle-ci étant absente chez les souris Otof -/-. Cette inactivation rapide est réalisée par les isoformes courtes Cav1.3S qui ont leur partie C-terminale régulatrice tronquée, contrairement aux isoformes longues Cav1.3L dépourvues d'inactivation. Afin de différencier les rôles spécifiques de ces isoformes dans le cycle des vésicules synaptiques, nous avons utilisé la technologie CRISPR-Cas9, nous permettant d'éditer spécifiquement la partie C-terminale régulatrice des canaux Cav1.3L. Nos résultats montrent que les souris CRISPR-Cav1.3L présentent une surdité sévère expliquée au niveau des CCI par un défaut de recrutement vésiculaire aux zones actives, alors que les Cav1.3S inaltérés contrôlent la fusion rapide des vésicules synaptiques. / The precise encoding of acoustic signals into nerve impulses is achieved at the ribbon synapses of inner hair cells (IHC) of the cochlea. Exocytosis of synaptic vesicles by IHC is triggered by voltage-activation of Cav1.3 calcium channels and the action of a specific calcium sensor, otoferlin, a large protein with a single C-terminal transmembrane domain and six C2 (A-F) domains which binds Ca2+ and interacts with phospholipids. In order to characterize the function of the various otoferlin C2 domains, we used viral vectors (AAV) allowing the expression of shortened forms of otoferlin (mini-Otof), in vivo, in IHC from mice lacking otoferlin (Otof -/-). We show that mini-Otof containing C2-EF, C2-DEF or C2-ACEF domains are sufficient to restore fast synaptic vesicle exocytosis in Otof -/- IHC, but without restoring hearing because vesicular replenishment remains impaired. For the first time, we also uncover an ultra-fast endocytosis (t < 20 ms) dynamin- and otoferlin-dependant, a function that is certainly essential for a fast regulation of IHC membrane homeostasis. Furthermore, the expression of the mini-Otof C2-EF and C2-DEF also partially restored the fast component of the Ca2+ current inactivation in Otof -/- IHC. This rapid inactivation is carried out by Cav1.3S short isoforms which have a truncated C-terminal regulatory domain, unlike Cav1.3L long isoforms which display no inactivation. To characterize the specific role of these Cav1.3 isoforms, we used CRISPR-Cas9 technology, allowing a specific removal of the C-terminal regulatory part of the Cav1.3L channels in IHC. Our results show that CRSIPR- Cav1.3L mice display severe deafness explained at the IHC level by a defect in vesicular replenishment of the active zones, while Cav1.3S are sufficient to ensure fast and transient exocytosis of docked synaptic vesicles.

L’hyperoxalurie primitive de type 1 (ou HP1) est une maladie héréditaire du métabolisme liée à un déficit en enzyme hépatocytaire AGT (alanine:glyoxylate aminotransférase), codée par le gène AGXT. Ce déficit entraîne, chez les patients atteints d’HP1, une excrétion hépatique accrue d’oxalate ; celui-ci est ensuite éliminé dans les urines où il se complexe avec le calcium pour former des néphrolithiases oxalo-calciques massives, pouvant conduire à une insuffisance rénale chronique. Le seul traitement curatif disponible pour cette pathologie est la greffe allogénique combinée hépatorénale, actuellement limitée par la disponibilité des donneurs de greffons, une morbi-mortalité significative et la nécessité d’un traitement immunosuppresseur au long cours. L’objectif du projet de recherche est de développer une thérapie génique de l’HP1 par greffe de cellules hépatiques autologues génétiquement corrigées. La faible disponibilité et la difficulté d’amplification in vitro des hépatocytes adultes nous a conduit à explorer la piste des cellules souches pluripotentes induites (iPSCs) pour produire des cellules hépatiques humaines utilisables en médecine régénérative. Nous avons dérivé et caractérisé des lignées de cellules iPSCs à partir de fibroblastes de patients atteints d’HP1, après expression transitoire des facteurs de reprogrammation par des vecteurs Sendai. Nous avons développé deux stratégies de thérapie génique additive par insertion d’un minigène codant une séquence optimisée de l’ADNc AGXT au moyen (1) d’un vecteur lentiviral à expression hépato-spécifique et (2) d’un processus de recombinaison homologue au locus AAVS1 facilité par le système de clivage ciblé de l’ADN « CRISPR/Cas9 ». Enfin, nous avons mis en évidence l’expression de la cassette thérapeutique après différenciation hépatocytaire des iPSCs génétiquement corrigées. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives de médecine régénérative pour l’HP1 par transplantation de cellules hépatocytaires autologues génétiquement corrigées dérivées d’iPSCs de patients. / Primary hyperoxaluria type 1 (or PH1) is an inherited metabolic disorder related to the deficiency of the hepatic AGT enzyme (alanine:glyoxylate aminotransferase), which is encoded by the AGXT gene. In PH1 patients, this deficiency leads to oxalate overexcretion by liver, followed by urine filtration and complexation with calcium to form massive calcium-oxalate nephrolithiasis potentially leading to chronic renal failure. The only available curative treatment is combined hepatorenal allogeneic engraftment, which is currently limited by the availability of transplant donors, significant morbidity and mortality, and the need for long-term immunosuppressive treatment. The aim of our research project is to develop gene therapy for PH1, consisting in engraftment of genetically corrected autologous liver cells. Considering that adult hepatocytes are hardly available and expandable in vitro, we chose to explore the use of induced pluripotent stem cells (iPSCs) to produce human liver cells for application in regenerative medicine. We derived and characterized iPSC lines from PH1 patient fibroblasts after transient expression of reprogramming factors delivered by Sendai virus vectors. We developed two additive gene therapy strategies by inserting a minigene encoding an optimized AGXT cDNA sequence using (1) a lentiviral vector designed for liver-specific expression and (2) homologous recombination process at the AAVS1 locus favoured by the targeted DNA cutting system “CRISPR/Cas9”. Finally, we highlighted therapeutic cassette expression after hepatic differentiation of genetically corrected iPSCs. These results pave the way for regenerative medicine for PH1 by transplantation of genetically modified autologous hepatocyte-like cells derived from patient-specific iPSCs.

Introdução. As Repetições Palindrômicas Curtas Agrupadas e Regularmente Interespaçadas (CRISPRs) são DNAs que consistem de repetições de nucleotídeos. Existem 3 tipos: CRISPR1-CAS, CRISPR3-CAS e CRISPR2. Os bacteriófagos são partículas virais que infectam bactérias. Os bacteriófagos SAP6, IME-EF1, BC-611, VD-13 e F4 são encontrados em E. faecalis assim como FL1ABC, FL2AB, FL3AB e FL4A. Objetivo. Identificar e caracterizar as classes de CRISPRs e bacteriófagos de E. faecalis e E. faecium isoaldos de amostras alimentares, clínicas e fezes de animais. Materiais e métodos. Foram usadas DNA de 153 isolados, sendo 98 de E. faecalis e 55 de E. faecium. A técnica de detecção foi a PCR utilizando iniciadores para os genes CRISPR1-Cas, CRISPR2, CRISPR3-cas e bacteriófagos, seguido por electroforese em gel de agarose. Resultados. Para E. faecalis foram detectadas 58 isolados que amplifacaram para o gene CRISPR1-Cas; 87 para CRISPR2 e 13 para CRISPR3-Cas. Para E. faecium foram detectadas 4 isolados positivos para o gene CRISPR1-Cas; 18 para CRISPR2 e 1 para CRISPR3-CAS. O bacteriófago FL2ABfoi detectado em 13 isolados de E. faecalis; o bacteriófago FL3AB em 13 isolados de E. faecalis e o FL4A em 28 isolados de E. faecalis. Conclusão. Neste estudo nos encontramos diferentes proporções e distribuições dos genes CRISPRs em E. faecalis e E. faecium. O bacteriófago FL4A apresentou-se como o mais frequente entre os bacteriófagos avalados. / Introduction. The CRISPR are small portions of DNA consisting of nucleotide repeats. There are three types of CRISPRs recognized: CRISPR-associated genes cas: CRISPR1-CAS and CRISPR3-CAS and a orphan locus lacking cas genes: CRISPR2. Bacteriophages are viral particles that infect bacterial. The bacteriophages SAP6, IME-EF1, BC-611 and F4 are found in E. faecalis as well as FL1ABC, FL2AB, FL3AB, FL4A. Objectivy: To Identify and to characterize CRISPRs genes and bacteriophage genes in E. faecalis and E. faecium isolated from food, clinical and animal fecal samples. Materials and methods. A total of 153 DNA samples were used, 98 from E. faecalis and 55 from E. faecium. The PCR technique using primers was used to detect the genes CRISPR1-Cas, CRISPR2, CRISPR3-cas and bacteriophages, followed the agarose gel electrophoresis. Results. To E. faecalis was detected 58 isolates that amplified the CRISPR1-Cas genes, 87 to CRISPR2 and 13 to CRISPR3-Cas. To E. faecium was detected 4 isolates positive to CRISPR1-Cas gene, 18 to CRISPR2 e 1 to CRISPR3-CAS. The FL2AB bacteriophage was detected in 13 isolates of E. faecalis; the FL3AB bacteriophage in 13 isolates of E. faecalis and the FL4A in 28 isolates of E. faecalis. Conclusion. In this work, we found out different proportions and distributions of CRISPRs genes in E. faecalis e E. faecium. The FL4A bacteriophage showed a high frequency among the bacteriophages tested.

Découverte il y a plus d’un siècle, Salmonella n’a cessé d’intriguer les chercheurs. Sa capacité à résister à de nombreux antibiotiques est de plus en plus préoccupante. La surveillance de ce pathogène repose sur un typage rapide et discriminant de façon à identifier le plus précocement possible les sources alimentaires contaminées. Les méthodes classiques sont longues, lourdes et non automatisables. Comprendre l’émergence et l’évolution des Salmonella est la clé pour éradiquer ce pathogène resté l’une des premières causes de diarrhées bactériennes d’origine alimentaire dans le monde. Au cours des dernières décennies, des progrès spectaculaires ont été menés dans le monde de la microbiologie avec l’arrivée des séquenceurs de paillasse, passant du traitement d’une dizaine à des centaines de millions de séquences. L’accès facilité aux séquences génomiques et aux outils qui leurs sont dédiés sont devenus une nécessité. Les outils actuellement disponibles ne sont pas assez discriminants pour sous-typer S. enterica sérotype Typhimurium (STM), sérotype prédominant de Salmonella. Nous avons voulu lors de ce travail, montrer l’intérêt du séquençage entier du génome, pour l’étude génomique de Salmonella. (1) Après avoir séquencé plus de 300 génomes de STM, nous avons mis au point un outil de sous-typage in silico de ce sérotype, basé sur le polymorphisme des CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). La surveillance à haut débit des salmonelloses a été validée en routine sur plus de 800 génomes. L’étude de la coévolution entre le chromosome (SNPs) et les régions CRISPR ont permis d’établir une nomenclature définissant les différentes populations de STM. (2) L’analyse génomique de 280 souches historiques de STM a montré que les gènes de bêta-lactamase conférant une résistance à l’ampicilline et portés par des plasmides étaient répandus chez STM à la fin des années 1950, bien avant l’utilisation de cet antibiotique. La présence de la pénicilline G dans le milieu agricole où ces composés ont été utilisés en tant que promoteurs de croissance ont pu conduire à la sélection des premières souches résistantes à l’ampicilline. (3) L’étude phylogénétique d’un génome issu du cadavre d’une femme décédée il y a plus de 800 ans, probablement à cause de la fièvre entérique et de 219 génomes historiques et récents des sérotypes Paratyphi C, Choleraesuis et Typhisuis ont montré que leurs génomes étaient très similaires au cours des 4000 dernières années. Ainsi, la combinaison des approches génotypique et phylogénétique ont accru nos connaissances sur l’évolution de ce pathogène.Mots clés : Séquençage entier du génome, surveillance épidémiologique, CRISPR, SNP, résistance antibiotique, phylogénie, évolution / Over a century has passed since the discovery of Salmonella and yet, this pathogen still intrigues researchers. Its ability to withstand many antibiotics is of increasing concern. The monitoring of this pathogen is based on a rapid and discriminatory typing to identify the sources of contaminated food as early as possible. The conventional methods are long, heavy and non-automatable. Understanding the emergence and evolution of Salmonella is the key to eradicate this pathogen, which has remained one of the leading causes of foodborne bacterial diarrhea in the world. During the last decades, spectacular progress has been made in the world of microbiology with the arrival of workbench sequencers, passing from a dozen to hundreds of millions of sequences processed. Facilitated access to numerous genome sequences and dedicated tools are mandatory. Tools currently available are not sufficiently discriminating for the subtype of S. enterica serotype Typhimurium, a predominant serotype of Salmonella. Throughout this study, we showed the interest of whole genome sequencing, a multidisciplinary tool, for the genomic study of Salmonella. (1) After sequencing over 300 S. enterica serotype Typhimurium genomes, we have developed an in silico subtyping tool for this serotype, based on the CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) polymorphism. High-throughput microbiological monitoring of salmonellosis has been routinely validated on over 800 genomes. The study of coevolution between the chromosome (SNPs of the core genome) and the two CRISPR regions made it possible to establish a nomenclature defining the different populations of this serotype. (2) Genomic analysis of 280 historical strains of S. enterica serotype Typhimurium showed that plasmids carrying beta-lactamase genes, which confer resistance to ampicillin, were widespread within this serotype in the late 1950s, years before ampicillin was first used for clinical purposes. The presence of penicillin G in the farming environment where these compounds were used as growth promoters, may have led to the selection of the first ampicillin-resistant strains. (3) The phylogenetic study of a genome from the corpse of a young woman who died over 800 years ago, probably due to enteric fever, and 219 historical and recent genomes of the serotypes Paratyphi C, Choleraesuis and Typhisuis have shown, despite the differences in host specificity, that their genomes were very similar over the past 4000 years. Thus, the combination of genotypic and phylogenetic approaches has increased our knowledge of the evolution of this pathogen.Key words: Whole genome sequencing, epidemiological monitoring, CRISPR, SNP, antibiotic resistance, phylogeny, evolution

Rare diseases, when considered as a whole, affect up to 7% of the population, which would represent 3.5 million individuals in the United Kingdom alone. However, while 'personalised medicine' is now yielding remarkable results using recent sequencing technologies in terms of diagnosing genetic conditions, we have made much less headway in translating this patient information into therapies and effective treatments. Even with recent calls for greater research into personalised treatments for those affected by a rare disease, progress in this area is still severely lacking, in part due to the astronomical cost and time involved in bringing treatments to the clinic. Gene correction using the recently-described genome editing technology CRISPR/Cas9, which allows precise editing of DNA, offers an exciting new avenue of treatment, if not cure, for rare diseases; up to 80% of which have a genetic component. This system allows the researcher to target any locus in the genome for cleavage with a short guide-RNA, as long as it precedes a highly ubiquitous NGG sequence motif. If a repair sequence is then also provided, such as a wild-type copy of the mutated gene, it can be incorporated by homology-directed repair (HDR), leading to gene correction. As both guide-RNA and repair template are easily generated, whilst the machinery for editing and delivery remain the same, this system could usher in the era of 'personalised medicine' and offer hope to those with rare genetic diseases. However, currently it is difficult to test the efficacy of CRISPR/Cas9 for gene correction, especially in vivo. Therefore, in my PhD I have developed a novel fluorescent reporter system which provides a rapid, visual read-out of both non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR) driven by CRISPR/Cas9. This system is built upon a cassette which is stably and heterozygously integrated into a ubiquitously expressed locus in the mouse genome. This cassette contains a strong hybrid promoter driving expression of membrane-tagged tdTomato, followed by a strong stop sequence, and then membrane-tagged EGFP. Unedited, this system drives strong expression of membrane-tdTomato in all cell types in the embryo and adult mouse. However, following the addition of CRISPR/Cas9 components, and upon cleavage, the tdTomato is rapidly excised, resulting via NHEJ either in cells without fluorescence (due to imperfect deletions) or with membrane-EGFP. If a repair template containing nuclear tagged-EGFP is also supplied, the editing machinery may then use the precise HDR pathway, which results in a rapid transition from membrane-tdTomato to nuclear- EGFP. Thereby this system allows the kinetics of editing to be visualised in real time and allows simple scoring of the proportion of cells which have been edited by NHEJ or corrected by HDR. It therefore provides a simple, fast and scalable manner to optimise reagents and protocols for gene correction by CRISPR/Cas9, especially compared to sequencing approaches, and will prove broadly useful to many researchers in the field. Further to this, I have shown that methods which lead to gene correction in our reporter system are also able to partially repair mutations found in the disease-causing gene, Zmynd10; which is implicated in the respiratory disorder primary ciliary dyskinesia (PCD), for which there is no effective treatment. PCD is an autosomal-recessive rare disorder affecting motile cilia (MIM:244400), which results in impaired mucociliary clearance leading to neonatal respiratory distress and recurrent airway infections, often progressing to lung failure. Clinically, PCD is a chronic airway disease, similar to CF, with progressive deterioration of lung function and lower airway bacterial colonization. However, unlike CF which is monogenic, over 40 genes are known to cause PCD. The high genetic heterogeneity of this rare disease makes it well suited to such a genome editing strategy, which can be tailored for the correction of any mutated locus.

Les canaux potassiques à deux domaines pore (K2P) sont des régulateurs principaux de l’excitabilité cellulaire car ils jouent un rôle central dans l’établissement et le maintien du potentiel de repos des cellules animales. Malgré leur rôle fondamental, peu d’informations sont connues sur les processus cellulaires qui contrôlent la fonction des canaux K2P in vivo. En particulier, nous ne connaissons que quelques facteurs qui contrôlent directement le nombre, l’activité et la localisation des K2P à la surface des cellules.Durant ma thèse, j’ai utilisé des stratégies d’ingénierie du génome que j’ai associé à des approches génétiques afin de caractériser le canal potassique EGL-23. Pour cela, j’ai réalisé un crible suppresseur du phénotype de défaut de ponte du mutant egl-23(n601) et un crible visuel sur le rapporteur fluorescent traductionnel egl-23::TagRFP-T. Grâce au reséquençagecomplet du génome, j’ai pu cloner 4 gènes impliqués dans la régulation du canal EGL-23. / Two-pore domain potassium channels (K2P) are major regulators of cell excitability, playing a central role in the establishment and maintenance of the resting potential of animal cells. Despite their fundamental role, little is known about the cellular processes that control K2P channels function in vivo. In particular, we know only few factors that directly control thenumber, activity, and localization of K2P on the cell surface.During my thesis, I used state-of-the art genome engineering technologies combined with genetic approaches to characterize the C. elegans potassium channel EGL-23. For this, I realized a phenotypic suppressor screen of the egg-laying defective mutant egl-23(n601) and a visual screen on an egl-23 translational fluorescent reporter. Using whole genome sequencing, I was able to clone for new genes involved in EGL-23 regulation

La diversité morphologique des muscles squelettiques permet la précision et la coordination des mouvements propres à chaque espèce animale. L'établissement du patron musculaire a lieu au cours du développement embryonnaire durant le processus de myogenèse. Il a été décomposé en quatre étapes chez la drosophile : la spécification de groupes de myoblastes équivalents (groupes promusculaires) à des positions précises du mésoderme, la sélection d'une ou plusieurs cellules progéniteurs à partir de chaque groupe, la division asymétrique des progéniteurs en cellules fondatrices des muscles, et enfin, la fusion d'une cellule fondatrice avec un nombre défini de myoblastes compétents pour la fusion qui forme une myofibre syncytiale. Ce processus aboutit à la mise en place d'un patron stéréotypé de muscles morphologiquement distincts par leur taille, orientation, forme, et sites d'attachement au squelette ; ces caractères définissant l'identité du muscle. Chez la drosophile, chacun des 30 muscles par hémisegment de la larve est constitué d'une seule myofibre. Il a été proposé que l'identité morphologique de cette fibre soit contrôlée par une combinatoire de facteurs de transcription identitaires (FTi) exprimés par la cellule fondatrice. Mon projet de thèse a porté sur le contrôle transcriptionnel de l'identité musculaire, avec comme modèle d'étude, un muscle dorso-latéral de la larve de drosophile, le muscle DA3 dont un FTi est Collier/EBF (Col). La transcription de col est activée dans un groupe promusculaire, puis transitoirement dans les quatre progéniteurs issus de ce groupe, avant d'être maintenue spécifiquement dans la myofibre DA3. Dans des embryons mutants pour col, le DA3 est transformé en muscle plus dorsal, DA2. Les travaux précédents de l'équipe ont montré que la transcription de col dans le lignage DA3 est contrôlée par deux modules cis-régulateurs, EarlyCRM et LateCRM, séparés physiquement sur le chromosome et agissant séquentiellement. Leur chevauchement temporel d'activité restreint au progéniteur DA3 et l'autorégulation directe du LateCRM ont mené à l'hypothèse d'un mécanisme de " passage de témoin " entre ces deux CRM, spécifique au progéniteur DA3. L'objectif de ma thèse était de tester cette hypothèse et de comprendre comment une information temporelle et spatiale intégrée par un CRM est transmise à un autre CRM, pour définir une identité cellulaire, une question fondamentale au-delà du cas d'espèce que constitue le muscle DA3.[...] / The morphological diversity of skeletal muscles allows the precision and coordination of movements specific to each animal species. Establishment of a stereotypic pattern of muscles takes places during the process of myogenesis. Studies in Drosophila, an insect model, have identified four steps in this process: the specification of equivalence groups of myoblasts (promuscular clusters) at defined positions within the somatic mesoderm, the selection of progenitor(s) from each group, asymmetric division of each progenitor into post-mitotic muscle founder cells, and finally the fusion of each founder cell with a given number of fusion competent cells to form a syncytial myofiber. This dynamic, integrated process leads to establishing a stereotyped pattern of morphologically distinct muscles which can each be distinguished, based on size, orientation, shape, sites of attachment to the skeleton, all properties defining muscle identity. In the Drosophila larva, each of the about 30 different muscles per hemisegment is made of a single myofiber. It has been proposed that final morphology of a myofiber reflects the combinatorial code of identity Transcription Factors (iTF) expressed by its founder cell, although many questions remain unanswered. My thesis project aimed at better understanding the mechanism of specification of muscle identity, using as model a dorso-lateral muscle of the Drosophila larva, the DA3 muscle whose identity is controlled by the Collier/EBF (Col) iTF. col transcription is activated in one promuscular cluster, transient in the 4 progenitors issued from this cluster and stably maintained in the DA3 myofiber. In col mutant embryos, the DA3 muscle is transformed into a more dorsal, DA2-like muscle. Previous work has shown that col transcription in the DA3 lineage is controlled by two cis-regulatory modules (EarlyCRM and LateCRM), physically distant on the chromosome and acting sequentially. The temporal overlap of EarlyCRM and LateCRM in the DA3 progenitor and direct col autoregulation via the LateCRM led to hypothesize a handover between the two CRM in the DA3 progenitor. One goal of my thesis project was to challenge this hypothesis and understand how positional and temporal information integrated by EarlyCRM could be memorized via LateCRM, in order to specify cell identity, a fundamental question of developmental biology beyond the specific case of the Drosophila DA3 muscle. [...]

L’édition du génome utilisant CRISPR/Cas9 est récemment apparue comme une stratégie thérapeutique potentielle des maladies génétiques. Pour les mutations dominantes de type gain de fonction, la correction allèle-spécifique pourrait être l'approche la plus appropriée. Ici, nous avons testé l'inactivation ou la correction d'une mutation hétérozygote du gène de la dynamine 2 (DNM2) causant la forme autosomique dominante de la myopathie centronucléaire (CNM). Des ARN-guides tronqués ciblant spécifiquement l'allèle muté ont été testés sur des cellules de patients et des myoblastes d'un modèle murin. L'allèle muté a été ciblé avec succès et des clones ont été obtenus avec inactivation ou correction précise du génome. Les myoblastes Dnm2R465W/+ ont montré une altération de l'endocytose et de l'autophagie. L'inactivation ou la correction allèle-spécifique a normalisé ces phénotypes. L'allèle muté a également été ciblé avec succès dans les muscles de la souris Dnm2R465W/+. Ces résultats illustrent le potentiel de CRISPR/Cas9 à cibler et corriger de manière allèle-spécifique les mutations ponctuelles hétérozygotes de type de gain de fonction. / Genome editing with the CRISPR/Cas9 technology has emerged recently as a potential strategy for therapy in genetic diseases. For dominant mutations linked to gain-of-function effects, allele-specific correction may be the most suitable approach. Here we tested allele-specific inactivation or correction of a heterozygous mutation in the Dynamin 2 (DNM2) gene causing the autosomal dominant form of centronuclear myopathies (CNM). Truncated single guide RNAs targeting specifically the mutated allele were tested on cells derived from a mouse model and patients. The mutated allele was successfully targeted in patient fibroblasts and Dnm2R465W/+ mouse myoblasts, and clones were obtained with both precise genome correction or inactivation. Dnm2R465W/+ myoblasts showed an alteration in transferrin uptake and autophagy. Specific inactivation or correction of the mutated allele rescued these phenotypes. The mutated allele was also successfully targeted in Dnm2R465W/+ mouse muscles. These findings illustrate the potential of CRISPR/Cas9 to target and correct heterozygous point mutations leading to a gain-of-function effect in an allele-specific manner.