La recombinaison méiotique initiée en prophase I de méiose génère soit des crossing-over (COs), qui sont des échanges réciproques entre segments chromosomiques, ou des conversions géniques non associées aux COs (NCOs). Les deux types d'événements se produisent dans de petites régions (moins de 10 kilobases) appelées points chauds, qui sont distribuées de manière non homogène le long des chromosomes. L'objectif de ma thèse était la caractérisation d'un point chaud de recombinaison méiotique (nommée 14a) chez Arabidopsis thaliana (i) dans différentes accessions (ii) dans le mutant msh4, un gène impliqué dans la formation des COs. Dans les deux hybrides ColxLer et ColxWs (i) 14a a un taux très élevé de COs 0,85% et 0,49%, respectivement (ii) Les COs sont regroupés dans deux petites régions de quelques kilobases, 14a1 et 14a2 avec une distribution de type gaussienne observée aux points chauds décrits dans d'autres espèces (iii) 14a1 est aussi un point chaud de NCO avec un taux aussi élevé que celui des COs (0,5%) dans ColxLer (iv) un biais de l'initiation de recombinaison a été trouvé dans 14a1 aussi bien pour les COs que les NCOs dans le fond génétique ColxLer.Une réduction de la fréquence de CO a été observée dans le mutant msh4 dans le fond génétique ColxLer à 14a1 et 14a2 (6,4% et 18,7% par rapport au sauvage). Cela confirme le rôle précédemment connu de la protéine MSH4 impliqué dans la formation de CO. La fréquence de NCO à 14a1 est similaire à celle observéedans le fond sauvage. Le rôle des H3K4 histones trimethyltransferase d’Arabidopsis dans la recombinaison méiotique (comme précédemment observé comme Set1 chez S. cerevisiae ou PRDM9 chez les mammifères) a également été étudiée. Aucun des dix gènes d’histones méthyltransférase étudié n'a montré de rôle dans la méiose. Cela pourrait être dû à (i) une forte redondance de la fonction entre les protéines (ii) une autre histone méthyltransférase en charge de l'étiquetage des points chauds de recombinaison méiotique (plus de 29 putatif histone méthyltransférase ont été identifiés dans le génome d'Arabidopsis!) (iii) contrairement à S. cerevisiae, les souris et l'homme, un autre mécanisme de contrôle épigénétique de la recombinaison méiotique. / Meiotic recombination initiated in prophase I of meiosis generates either crossovers (COs), which are reciprocal exchanges between chromosome segments, or gene conversion not associated to crossovers (NCOs). Both kinds of events occur in narrow regions (less than 10 kilobases) called hotspots, which are distributed non-homogenously along chromosomes. The aim of my PhD was the characterization of a hotspot of meiotic recombination (named 14a) in Arabidopsis thaliana (i) across different accessions (ii) in msh4 mutant, a gene involved in CO formation. In both ColxLer and ColxWs hybrids (i) 14a had a very high rate of COs 0.85% and 0.49%, respectively (ii) COs clustered in two small regions of a few kilobases, 14a1 and 14a2 with typical Gaussian curve distribution observed in other organisms (iii) 14a1 was also a hotspot of NCO with high rate (0.5%) in ColxLer (iv) a bias of recombination initiation at 14a1 CO and NCO hotspot was found in ColxLer. A reduction of CO frequency was observed in msh4 mutant in ColxLer background at 14a1 (6.4%) and 14a2 (18.7%) compared to wild type. This confirmed previously known role of MSH4 protein in CO formation. Frequency of NCO at 14a1 was similar to wild type. The role of putative Arabidopsis histone H3K4 trimethyltransferase in meiotic recombination as previously observed like Set1 in S.cerevisiae or PRDM9 in mammals (mice and human) was also studied. None of ten putative histone methyltransferase genes was involved in meiosis. This could be due to (i) a strong redundancy of function between gene products (ii) another histone methyltransferase in charge of labeling meiotic recombination hotspots (more than 29 putative histone methyltransferase have been identified in the Arabidopsis genome!) (iii) contrary to S. cerevisiae, mice and humans, another mechanism for epigenetic control of meiotic recombination

En génomique comparative, on considère classiquement trois forces déterminant l'évolution des séquences : la mutation, la sélection et la dérive génétique. Récemment, lors de l'étude de l'origine évolutive des variations de la composition en base des génomes, un quatrième agent a été identifié : la conversion génique biaisée (BGC). Le BGC est intimement lié à la recombinaison méiotique et semble présent chez la plupart des eucaryotes. Ce phénomène introduit une surreprésentation de certains allèles dans les produits méiotiques aboutissant à une augmentation de la fréquence de ces variants dans la population. Ce processus est capable de mimer et d'interférer avec la sélection naturelle. Il est donc important de le caractériser afin de pouvoir le distinguer efficacement de la sélection dans l'étude de l'adaptation à l'échelle moléculaire. C'est ce que nous nous attachons à faire dans le cadre de ce travail. Pour cela nous utilisons deux espèces modèles. Premièrement la levure Saccharomyces cerevisiae pour laquelle une carte de recombinaison haute résolution permettant l'analyse du processus de conversion, est disponible. L'étude approfondie de cette carte nous a permis de lever le voile sur les mécanismes moléculaires qui sous-tendent le BGC. Deuxièmement, grâce à des découvertes récentes sur la détermination des patrons de recombinaison via la protéine PRDM9 chez les mammifères, nous avons quantifié la dynamique et l'intensité de ce processus dans l'histoire évolutive récente de l'homme. Ces résultats nous ont permis de confirmer la place du BGC comme quatrième force d'évolution moléculaire, mais aussi de discuter de l'origine évolutive de ce phénomène / Usually, three main forces are considered when studying sequences evolution in comparative genomics : mutation, selection and genetic drift. Recently, a fourth process has been identified during the study of base composition landscapes in genomes : biased gene conversion (BGC). This phenomenon introduces an overrepresentation of certain alleles in meiosis products (gametes or spores) leading to an increase of the frequency of those variants in the population. Thus, it is able to mimic and interfere with natural selection. Hence, it is important to describe this phenomenon in order to be able to trustfully distinguish BGC and selection in the study of adaptation at the molecular scale. So, the main goal of this work is to analyze the molecular origin, the intensity and the dynamics of BGC. To do so, we use two model species. First, we use the yeast Saccharomyces cerevisiae because, for this specie, a high-resolution recombination map is available which allows a fine study of the conversion process. Analyzing this map led us to shed the light on the molecular mechanisms of BGC. Secondly, recent discoveries on the role of the PRDM9 protein in the determination of recombination landscapes in mammals allowed us to quantify the dynamics and intensity of BGC in the recent human history. Thanks to those two studies, we first confirmed that BGC is the fourth force of molecular evolution and we also provided hypotheses about the evolutionary origin of this process

La formation et l’intégrité de la barrière hémato-rétinienne (BHR) sont nécessaires au maintien d’une bonne vision et la violation de cette barrière contribue à l’apparition d’un grand nombre de pathologies rétiniennes tel que la rétinopathie diabétique (RD) ou l’occlusion de la veine centrale de la rétine (OVCR). La dystrophine Dp71 est une protéine du cytosquelette associée à la membrane qui s’exprime majoritairement dans les cellules gliales de Müller. Son absence a été associée à une augmentation de la perméabilité vasculaire liée à la délocalisation et à la diminution de l’expression des canaux AQP4 et Kir4.1. La souris Dp71-null est donc un excellent modèle d’étude des pathologies rétiniennes présentant une rupture de la BHR. L’ensemble de nos résultats démontrent que chez la souris déficiente en Dp71 ayant une rupture de la BHR, il est possible de restaurer une perméabilité et une homéostasie rétinienne normale grâce à la surexpression de la Dp71 via les virus adéno-associés. Cette étude est à la base du développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le traitement de pathologies associées à une rupture de la BHR et à un œdème maculaire, comme la RD ou l’OVCR. / Formation and maintenance of the blood-retinal barrier (BRB) is required for proper vision and breaching of this barrier contributes to the pathology in a wide variety of retinal conditions such as diabetic retinopathy (DR) or Central retinal vein occlusion (CRVO). Dystrophin Dp71 being a key membrane cytoskeletal protein, expressed mainly in Müller glial cells, its absence has been related to BRB permeability through delocalization and down-regulation of the AQP4 and Kir4.1 channels. Dp71-null mouse is thus an excellent model to approach the study of retinal pathologies showing blood-retinal barrier permeability. Our results collectively demonstrated that in Dp71 deficient mouse with compromised barriers, normal BRB permeability and retinal homeostasis can be restored through over-expression of Dp71 via adeno-associated virus. This study is the basis for development of new therapeutic strategies in dealing with diseases with BRB breakdown and macular edema such as DR or CRVO.

La myéline est une gaine formée par l’enroulement de la membrane plasmique de la cellule de Schwann autour de l’axone dans le nerf périphérique. Lorsque cette gaine est détruite, on parle de démyélinisation, cela provoque de nombreuses maladies, dont les maladies de Charcot Marie Tooth (CMT) de type 1. Les maladies CMT sont héréditaires et atteignent le système nerveux périphérique. Les symptômes communs incluent : une faiblesse musculaire, une démarche maladroite, des troubles de l’équilibre et des pieds très cambrés ou très plats. Le type le plus fréquent est la forme autosomique dominante CMT1A.Une duplication du bras court du chromosome 17 contenant le gène PMP22 (Peripheral Myelin Protein 22) induit la CMT1A. La PMP22, une petite protéine exprimée par les cellules de Schwann, est donc en excès et entraine une démyélinisation. Il existe un modèle de rats transgéniques PMP22 (ou rats CMT1A) mimant cette pathologie humaine. Les rats CMT1A surexpriment la pmp22 de souris de façon hétérozygote. Jusqu’à présent, aucun remède n’existe pour les maladies CMT. Un des traitements envisageables est la thérapie génique. Le but de mon projet de thèse était d’étudier la validité et l'efficacité de la thérapie génique chez les rats CMT1A. La stratégie consiste à réduire la surexpression de la protéine PMP22 chez le rat CMT1A à l’aide d’ARNsh anti-PMP22. Pour ne pas être détruits par l’organisme et maintenir une expression longue, ces ARN sh-PMP22 sont transférés chez le rat grâce à des vecteurs viraux dérivés de virus adéno-associés, ou AAV (pour adeno-associated virus). Nous avons donc injecté un des différents sérotypes d'AAV,l'AAV9 exprimant les ARN sh-PMP22 de souris ainsi que la GFP comme marqueur des cellules infectées dans les nerfs sciatiques de rats CMT1A à l’âge de 6 jours ou 7 jours.Nous avons d’abord confirmé que les virus thérapeutiques infectaient une très large proportion de cellules de Schwann dans le nerf sciatique de rat CMT1A et ensuite que l’infection de ces cellules par les virus exprimant les ARN sh-PMP22 induisait une diminution significative de l’expression de la protéine PMP22. L'analyse du phénotype moteur des rats CMT1A traités avec les AAV9 exprimant les ARN sh-PMP22 montre que les rats CMT1A traités ne développent pas la maladie observée dans les contrôles. Également, les rats CMT1A présentent une hypoalgésie, un phénotype qui n’apparait pas dans les CMT1A traités avec les vecteurs thérapeutiques. Le traitement par thérapie génique empêche la réduction de la vitesse de conduction nerveuse observé dans les rats malades. Concernant la biodistribution des virus, 2,5 mois après le traitement, en dehors des nerfs sciatiques ou les virus ont été injectés, le virus était présent dans les muscles qui entourent le nerf et aussi dans quelques ganglion dorsaux. Pour la réponse immunitaire,les rats injectés, à seulement 2 exceptions près, n’ont pas développé de facteurs neutralisants anti-AAV9. Cette thérapie génique pourrait être utilisée dans les essais cliniques.Avant de passer aux études cliniques pour le traitement de la maladie CMT1A à l’aide d’AAV9 exprimant des ARN sh-PMP22 humain, la dose d’expression de ce ARN sh-PMP22 doit être très soigneusement déterminée car si la PMP22 est trop réduite, une autre maladie peut se développer, la neuropathie héréditaire avec hypersensibilité à la pression. Il est aussi important d’avoir un outil bien adapté qui permet d’évaluer l’efficacité du traitement. Aucun existant n’est assez fiable pour mesurer la myéline du nerf périphérique. Pour remédier à ce manque, nous avons testé la technique d'imagerie Coherent Anti-stokes Raman Scattering (CARS) en caractérisant avec succès les défauts de la myéline. Par conséquent, le CARS est une technique prometteuse permettant d’évaluer l’avancement des maladies de la myéline et l’efficacité de nouvelles thérapies pour les neuropathies périphériques démyélinisantes. / Myelin, a tissue synthesized by Schwann cells, covers and protects nerves. If damaged, it causes many demyelinating diseases such as the inherited peripheral nervous system disorder Charcot Marie Tooth or CMT type 1. CMT neuropathies display a large variability from one patient to another. Nevertheless, the most common symptoms include muscle weakness, an awkward way of walking (gait), equilibrium problem and highly arched or very flat feet. The most common subtype of CMT is an autosomal dominant disorder known as CMT1A. CMT1A is caused by the duplication of the peripheral myelin protein 22 (PMP22) gene on the short arm of chromosome 17 (17p11.2) resulting in an excess of PMP22. This leads to demyelination. PMP22 is a small protein expressed by Schwann cells. There is still no cure for CMT diseases. One approach for a treatment is gene therapy. The aim of my thesis project was to deliver proof of principle for a gene therapy approach on a CMT1A rat model characterized by extra copies of mouse pmp22 gene (CMT1A rat). The treatment strategy consisted in reducing PMP22 overexpression in CMT1A rats with shRNA against PMP22. Viral vectors like adeno-associated virus (AAV having serotypes from1-10) are used to deliver shRNA in vivo so that they won’t be destroyed by the organism and for them to be long-lasting. Thus, we injected sciatic nerves of 6-7-day-old CMT1A rats with AAV9 expressing shRNA PMP22 with a GFP marker. We first confirmed that the virus highly transduced Schwann cells and that AAV9 shRNA PMP22 decreased PMP22 protein expression in CMT1A rats’ sciatic nerves. CMT1A rats treated with AAV9 shRNA PMP22 showed that they didn’t develop the motor phenotype seen in controls. Moreover, hypoalgesia observed in CMT1A rats was alleviated by treatment. In addition, gene therapy increased the reduced nerve conduction velocity found in CMT1A rats. Concerning safety, no viral off-targets were detected except in muscles close to the injection site (sciatic nerve) and in the dorsal root ganglions. Except for 2 rats, there was no immune response against AAV; no anti-AAV9 neutralizing factors. Consequently, this gene therapy could be used in clinical trials. Before moving to clinical studies, the minimal effective dosage should be very carefully defined because if PMP22 is completely deleted, another disease is caused: Hereditary Neuropathy with Pressure Palsies. It is also crucial to have a strong readout to evaluate the outcome of a treatment. However, no tool consistent enough exists for examining the peripheral nerve. Thus, we tested the label-free imaging technique Coherent Anti-stokes Raman Scattering (CARS) and successfully characterized myelination defects. Consequently, CARS could be used as a consistent outcome measure for developing new therapies for demyelinating peripheral neuropathies.

Cette thèse a été consacrée à l'évolution du transcriptome de Drosophila simulans, et à son rôledans l'adaptation et la spéciation. L'étude a comporté deux parties. La première utilisant des pucesà ADN pour comparer les transcriptomes de populations de D. simulans, de son espèce jumelleD. sechellia, et de leurs hybrides. La seconde basée sur la quantification des transcrits par séquen-çage haut débit pour comparer une population de la zone d'origine (Afrique), et une populationd'une zone récemment envahie (France métropolitaine). Ces analyses ont mis en évidence plusieursgroupes ou familles de gènes montrant des variations d'expression.Un résultat majeur est l'implication prépondérante de la famille des cytochromes P450 dansl'adaptation. Cette superfamille composée de 85 gènes chez D. simulans est notamment importantepour la détoxi_cation des xénobiotiques. L'expression de plusieurs gènes de cette famille estfortement réduite chez D. sechellia, probablement à cause de la spécialisation de cette espèce surla plante Morinda citrifolia (plante toxique pour les autres drosophiles). On peut s'attendre alorsà un relâchement des contraintes de sélection sur cette famille de gènes, dû à une forte réductionde la diversité des toxines auxquelles cette espèce est exposée.Ces gènes sont également impliqués dans la différenciation entre les populations de la zoneancestrale de D. simulans et les populations dérivées. La zone ancestrale, en Afrique de l'est etdans les îles de l'Océan Indien occidental, est encore peu anthropisée. A contrario, la plupartdes populations dérivées, comme ici notre population de la vallée du Rhône, sont exposées à descontraintes chimiques sous la forme de pesticides utilisés massivement sur les grandes cultures.Ces pesticides contraignent les populations dérivées à s'adapter, ce qui peut se réaliser par uneaugmentation de l'expression. Nous avons détecter une augmentation de l'expression de treizeP450, dont un gène très bien connu pour ses fonctions de détoxifcation : Cyp6g1. Ce gène montreune augmentation d'expression corrélée à une résistance aux pesticides et à l'insertion d'élémentstransposables en 5' ; ceci a été montré en détail chez D. melanogaster, et dans une moindre mesurechez D. simulans. Nous avons mis en évidence chez cette dernière espèce un nouvel évènementd'insertion.Nos résultats montrent également que d'autres familles de gènes impliqués dans les détoxi_-cations sont concernées par ces augmentations d'expression liées à l'anthropisation des milieux,notamment les Glutathion transfèrases (GST).Nous avons également examiné la plasticité d'expression liée au changement de ressource, enélevant une partie de nos populations sur la ressource d'origine (fruits), et une autre partie sur lemilieu axénique, milieu d'élevage standard de laboratoire (stérile). Les drosophiles élevées sur unmilieu "naturel" montrent une forte activation du système immunitaire, et notamment une forteinduction des gènes effecteurs de l'immunité innée, codant les peptides anti-microbiens. Cela estprobablement dû à la présence de microorganismes sur ce milieu (ici, la banane). En conclusion,cette thèse a révélé des familles de gènes fortement impliquées dans les différenciations d'expressionentre populations, espèces, et ressources, posant les jalons d'une meilleure compréhension desmécanismes d'adaptation du transcriptome. / The topic of this thesis was the evolution of the transcriptome of Drosophila simulans, andits role in adaptation and speciation. First, we used microarrays to compare transcriptomes ofpopulations of D. simulans, its sister species D. sechellia and their hybrids. Second, we useda RNA-seq like approach to quantify gene expression of a population from the ancestral range(Africa) on the one side, and a population from a recently invaded zone (France) on the other side.These analyses revealed several gene groups or families showing gene expression variations.One main result is the major involvement of the cytochrome P450 gene family in adaptation.This superfamily is composed of 85 genes in D. simulans, and is notably important in detoxificationof xenobiotics. The expression of several genes of this family is strongly reduced in D. sechellia,likely due to the specialization of this species on Morinda citrifolia (a plant toxic for any otherdrosophila). This specialization may strongly reduce the diversity of toxines this species is exposedto, thus relaxing selective constraints on this gene family.These genes are also involved in the differentiation between populations of the ancestral range ofD. simulans and derived populations. The ancestral range, in eastern Africa and in the occidentalislands of the Indian Ocean, is not highly anthropized yet. Contrasting with this pattern, manyderived populations (here our population from the Rhône valley) are exposed to chemical pressuresdue to the massive use of pesticides on agricultural zones. These pesticides force derived populationsto adapt, which can happen via increased expression in genes such as the very famous exampleof Cyp6g1. This gene shows a strong increase in expression correlated with pesticide resistance aswell as the insertion of transposable elements upstream of the gene ; this was described in detailsin D. melanogaster, and to some extent in D. simulans. We have shown a novel insertion event inthe latter species.Our results also reveal the involvement of other gene families in detoxification linked withanthropized environment via increase of gene expression, notably the Glutathione transferases(GST).We also examined expression plasticity linked with resource change, raising half our _ies ontheir natural food resource (fruits), and the other half on axenic medium (standard sterile laboratorymedium). Drosophila raised on their natural medium show a strong activation of their immunesystem, and notably an induction of the effectors of teir innate immunity, the anti-microbial peptides.This observation can be explained by the presence of microorganisms on this medium (here,banana). To conclude, this thesis revealed gene families strongly involved in expression differentiationamong populations, species and food resources, paving the way of a better understanding ofmechanisms of adaptation of the transcriptome.

A l'interface de la génétique et de l'environnement, l'épigénétique contribue à la diversité phénotypique. Déterminer l'impact de la variation épigénétique sur les caractères quantitatifs (QT) est un nouveau défi. La croissance staturale fournit l’opportunité d’étudier la variabilité de plusieurs traits phénotypiques liés entre eux : des QT cliniques (la taille, l’accélération de la vitesse de croissance en réponse à l'hormone de croissance, GH) et des QT biologiques tels que la concentration d’IGF1 et la réponse de cette concentration à la GH. L’ « Insulin-like Growth Factor 1 » (IGF1) contrôle la croissance postnatale chez les mammifères, y compris l'homme. Nous l’avons choisi comme locus candidat pour nos études épigénétiques. Nous avons quantifié la méthylation des deux promoteurs P1 et P2 de ce gène, qui régulent son expression. Notre objectif était d’évaluer la contribution de la méthylation d’ADN de ces promoteurs i) à la taille des enfants en croissance, ii) à l’IGF1 circulant, iii) et à la réponse de ces paramètres à un traitement par la GH. Taille et IGF1 circulant. La relation entre la méthylation des promoteurs d’IGF1 et la taille a été étudiée au sein de deux cohortes du service d'endocrinologie pédiatrique, totalisant 216 enfants prépubères de différentes statures. Nous avons montré que la méthylation d'un groupe de six CGs situés dans la partie proximale du promoteur P2 du gène IGF1 présentait une corrélation inverse avec la croissance et l'IGF1 circulant. Les enfants les plus grands sont ainsi moins méthylés sur ces CGs que les enfants de petite taille. La contribution de la méthylation à la variance de la taille a été évaluée à environ 13%, et à 10% pour la variance de l'IGF1 sérique. Pour montrer que l’association observée reflète une causalité biologique, nous avons étudié le lien entre la méthylation des promoteurs P1 et P2 et l'activité transcriptionnelle du gène IGF1 in vivo et in vitro. Nous avons montré que les quantités de transcrits de classe II, issus du promoteur P2, sont inversement corrélés à la méthylation du promoteur P2 dans les cellules sanguines mononucléées. In vitro, nous avons cloné le promoteur P2 déméthylé ou méthylé dans un plasmide rapporteur (luciferase) transfecté dans la lignée HEK293 : le promoteur déméthylé s’est révélé nettement plus actif (+57%). Finalement, nous suggérons que l’hyperméthylation de certains CGs du P1 et du P2 d’IGF1 pourrait être un des nombreux mécanismes moléculaires responsables d’une moindre expression du gène et d’un phénotype de petite taille. La réponse au traitement par la GH. Une fraction des enfants de petite taille est traitée par l'hormone de croissance (GH) pour accélérer sa croissance, mais l’efficacité du traitement est très variable entre les individus. Les causes de cette variabilité sont partiellement comprises : la génétique joue un rôle, mais il reste une place possible pour la variabilité épigénétique. Dans ce but, nous avons étudié l'effet direct de la variabilité épigénétique sur la transcription du gène IGF1 et l’IGF1 circulant, dans un test aigu d’administration de GH, puis sur la réponse thérapeutique à un traitement d’un an par la GH. Après une injection de GH, nous avons constaté une augmentation variable du nombre de transcrits d’IGF1 chez les enfants étudiés. L'augmentation des transcrits de la classe II était inversement corrélée à la méthylation des CGs du P2. La variabilité de méthylation au CG-137 contribuait pour 20% à 67% de l’expression d’IGF1 en réponse à la GH. Chez 136 enfants de petite taille, nous avons montré que la méthylation de l'ADN du promoteur P2 était associée à la réponse au traitement par la GH au cours de la première année. Cette association est observée pour l'augmentation de la vitesse de croissance et pour les taux d’IGF1. (...) / At the interface of genetics and environment, epigenetics contributes to phenotypic diversity. Quantifying the impact of epigenetic variation on quantitative traits (QT), an emerging challenge in humans. Growth provides a handset of quantitative traits to epigenetic studies. We studied the variability of several inter-related QTs: clinical QTs (height, height reponse to growth hormone and biological QT (serum IGF1 and serum IGF1 response to GH). Since insulin-like growth factor 1 (IGF1) controls postnatal growth in mammals including human, we tested whether the CG methylation of the two promoters (P1 and P2) of the IGF1 gene could be a epigenetic contributor to the individual variation i) in circulating IGF1 and stature in growing children. ii) on response of these parameters to treatment with (GH). Child height and circulating IGF1. To explore the relation between IGF1 promoter methylation and height, we studied two cohorts of pedriatric endocrinology department, totalling 216 prepubertal children with various statures. The methylation of a cluster of six CGs located within the proximal part of the IGF1 P2 promoter showed a strong negative association with serum IGF1 and growth. These correlations were observed in two cohorts of growing children. Tall children show lower levels of methylation in several CGs in P2 and P1 promoters of IGF1 gene than short children with idiopathic short stature. CG methylation contributed 13% to the variance of height and 10% to the variance of serum IGF1. To test if the found association reflected biological causality, we tested if methylation at the P2 promoter affects the transcriptional activity of the IGF1 gene. The transcriptional activity of the P2 promoter was inversely correlated with the CG methylation in mononuclear blood cells. We established that high levels of CG methylation at the two promoters of IGF1 contributed to the many molecular mechanisms responsible for “idiopathic” short stature. Response to treatment with (GH). Short children using growth hormone (GH) to accelerate their growth respond to this treatment with a variable efficacy. The causes of this individual variability are partially understood and could involve epigenetics. In this aim, we investigated the contribution of DNA methylation to the response to GH at two levels: direct effect of GH on transcription of IGF1 gene, on circulating IGF1 and on the growth response to GH. Following a GH injection, we found a variable increase in IGF1 transcripts across the studied children. The increase in P2-driven transcripts showed a strong inverse correlation with 4/8 of P2 CGs. Among the CGs of P1 promoter, only CG-611 showed an inverse correlation with P1-driven transcripts. Variability of DNA methylation in these CGs contributes with 27% to 67% of increase in transcripts. In 136 children with idiopatic short stature, we showed that DNA methylation of the P2 promoter is associated with growth response to GH during the first year of GH administration, for both increment in growth rate and circulating IGF1. CG-137 methylation of P2 promoter contributes 25% to variance of growth response to GH. The link between DNA methylation and the response to a treatment in humans illustrating the role of epigenetic marks as potent contributors to conclusion « pharmacoepigenetics». Our work can find application in growth physiology and therapeutics, as well as for studies in aging, longevity or cancer where IGF1 has a prominent role.

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.

Les Carcinomes Papillaires du Rein (pRCC) représentent la seconde forme histologique de cancers du rein . Ils correspondent à une entité hétérogène de tumeurs subdivisées en type I et type II sur leurs caractéristiques anatomopathologiques. Leur pronostic au stade métastatique est inferieur à celui des carcinomes à cellules claires. Les caractéristiques biologiques des pRCC sont mal connues et n’ont pas permis de développer jusqu'à ce jour de thérapeutiques spécifiques.Ce travail propose, en première partie, une synthèse des données disponibles biologiques, anatomo-pathologiques, thérapeutiques et pronostiques des pRCC. Cette synthèse a fait l’objet d’une publication. ( Albiges et al. The Oncologist 2012)Le second volet est dédié à l’analyse de la place du proto-oncogène MET au sein des pRCC de type I et II et plus particulièrement les différentes modalités d’activation de ce gène. Cette analyse (i) caractérise les anomalies quantitatives de l’ADN du gène MET (CGH array pour les pRCC de type II et CGMA pour les pRCC de type I) et leur corrélation au niveau d’expression génique; (ii) recherche l’existence de mutations activatrices du domaine tyrosine kinase par séquençage du gène MET chez les pRCC de type I; et (iii) analyse également les niveaux d’expression du ligand et des co-activateurs de ce récepteur MET. Ces résultats sont en cours de publication (Albiges et al. Clinical Cancer Research)Le troisième et dernier volet de ce travail vise à identifier des pistes biologiques propres aux pRCC par l’analyses de sous groupes distinguable en termes de profils d’expression génique et surtout par l’analyses des anomalies de l’ADN identifiées par CGH array des pRCC de type II, couplées aux données de transcriptome. / Papillary renal cell carcinomas (pRCC) are the second most common form of Renal Carcinomas and belongs to the non clear cell carcinomas family. This tumour type is an heterogeneous group of tumours usually subdivided in type I and type II according to pathological features. The prognosis of pRCC in the metastatic setting is worse to clear cell carcinoma’s prognosis. Biological characteristics of pRCC are poorly known and did not allow the development of specific targeted therapies.This work first presents a synthesis of published data regarding biology, pathology, therapeutics and prognosis of pRCC. This review has been published. (Albiges et al. The Oncologist 2012)Second part is dedicated to the analysis of MET proto-oncogene across pRCC. The main focus is to assess MET activation drivers. This analysis (i) characterises MET gene DNA copy number alterations (CGH array for type II pRCC and CGMA approach for Type I pRCC) and their correlation with gene expression profiling; (ii) assess activating mutations within the tyrosine kinase of MET gene in the type I pRCC; and (iii) investigate expression level of ligand and co-activators of MET receptor. This analysis is under publication. (Albiges et al. Clinical Cancer Research)Third and last part of this work aims at identifing new biological pathway specific to pRCC using clustering of gene expression profiling and DNA abnormalities assessed by CGHarray inthe type II pRCC subtypes with matching gene expression data.

Les canaux calciques dépendants du voltage (CCVD) sont impliqués dans de nombreux processus cellulaires tels que la libération de neurotransmetteurs, la contraction musculaire ou encore la régulation de l'expression génique. Les CCVD sont constitués d'une sous-unité canalaire (alpha1 ou Cav) par laquelle les ions Ca2+ entrent dans le milieu intracellulaire, associée à différentes sous-unités auxiliaires, alpha2delta, beta et gammaqui régulent leur fonction. Ma thèse a contribué à la mise en évidence d'une nouvelle voie de régulation du couplage excitation-transcription impliquant la sous-unité beta4 des CCVD. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés à la compréhension des déterminants de l'entrée de beta4 dans le noyau et aux mécanismes de régulation de l'expression génique par cette sous-unité des CCVD. Un modèle animal nous a été particulièrement utile, la souris léthargique (lh), déficiente pour la sous-unité beta4 et considérée comme un modèle d'étude de l'épilepsie-absences. Une translocation de beta4 du cytoplasme vers le noyau est observée au cours de la différenciation neuronale. Cette translocation est dépendante de l'intégrité structurale de beta4 et plus précisément de l'interaction de ses domaines SH3 (Src Homology 3) et GK (Guanylate Kinase). La translocation de beta4 au noyau nécessite son association avec un partenaire : la sous-unité régulatrice de la protéine phosphatase 2A (PP2A), B56delta. La dépolarisation membranaire permet un décrochage de beta4 du canal et son association à B56delta. beta4 migre donc vers le noyau sous forme de complexe avec B56delta/PP2A. Une étude transcriptomique réalisée pour comparer le profil d'expression dans le cervelet de souris lh par rapport aux souris wild-type a montré l'implication de beta4 dans la répression et l'activation d'un certain nombre de gènes. Particulièrement beta4 réprime fortement l'expression du gène qui code pour la tyrosine hydroxylase (TH). Dans le noyau, beta4 interagit avec un facteur de transcription, le récepteur aux hormones thyroïdiennes alpha(TRalpha). Cette association permet au complexe beta4/B56delta/PP2A de cibler la région promotrice du gène TH comme cela a été montré par des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Le complexe beta4/B56delta/PP2A est capable de s'associer aux histones et de déphosphoryler spécifiquement les histones H3 en Ser10 au niveau de la région promotrice du gène TH. Cette modification de la chromatine est corrélée avec le recrutement de Heterochromatin Protein 1 gamma (HP1gamma au niveau du promoteur du gène TH. HP1gamma est impliquée dans la formation d'hétérochromatine et pourrait expliquer la répression de l'expression du gène TH. Ainsi dans le cervelet de souris lh, l'absence de beta4 déclenche un dérèglement de cette voie de signalisation qui entraîne la sur-expression du géne TH. La mutation humaine R482X à l'origine de la délétion d'une partie du domaine C-terminal de beta4 et responsable d'une forme d'épilepsie juvénile myoclonique, perturbe la localisation nucléaire de beta4. En effet, le mutant beta1-481 incapable de s'associer à B56delta/PP2A et de migrer au noyau n'interagit pas avec les histones. La voie de signalisation permettant la régulation de l'expression génique par beta4 n'est donc plus assurée par le mutant. Ainsi, la fonction debeta4 ne se limite pas à son action cytoplasmique en tant que sous-unité auxiliaire des CCVD. En effet, ce travail montre combien dans le noyau,beta4, joue un rôle important dans la régulation de l'expression génique. / Voltage dependent calcium channels (VDCC) participate to various cellular processes such as neurotransmitters release, muscular contraction or gene expression regulation. VDCC are composed of a pore-forming subunit (alpha1 or Cav), that allows Ca2+ to enter the cells associated with auxiliary subunits, alpha2delta, beta and gamma. My thesis studies on a new signaling pathway in which the beta4 subunit of VDCC couples neuronal excitability to transcription. In particular it focuses on the understanding of the beta4 nuclear translocation determinants and the mechanisms of gene expression regulation by this VDCC subunit. beta4 translocation from the cytoplasm to the nucleus is observed during neuronal differentiation. This translocation depends on beta4 structural integrity and more precisely on interaction between the beta4 SH3 (Src Homology 3) and GK (Guanylate Kinase) domains. beta4 nuclear translocation is conditioned by its association with a partner: the regulatory subunit of phosphatase protein 2A (PP2A), B56delta. Membrane depolarization induces beta4 channel uncoupling and association with B56delta. Thus, beta4 migrates to the nucleus in complex with B56delta/PP2A. A study on gene expression generated by microarray was carried on to compare profiles of gene expression in lethargic (lh) mice, considered as spontaneous beta4 KO with wild-type (WT) mice cerebellum. This study proved the influence ofbeta4 on the repression and the activation of certain genes. Particularly, beta4 strongly represses tyrosine hydroxylase (TH) gene expression. In the nucleus, beta4 interacts with a transcription factor: the thyroid hormone receptor alpha (TR alpha). This association allows beta4/B56delta/PP2A complex to target the TH gene promoter as shown by chromatin immunoprecipitation (ChIP) experiments. This complex is also able to associate itself with histones and dephosphorylate Ser10 histone H3 in the TH gene promoter. This chromatin modification is correlated with HP1 gamma (Heterochromatin Protein 1 gamma) recruitment in the TH gene promoter. HP1 gamma is known to promote heterochromatin formation that could explain the TH gene repression by beta4. Thus, in lh mice cerebellum, the absence of beta4 triggers a complete disorganization of this signaling pathway that results in the up-regulation of the TH gene. R482X, the human mutation inducing the C-terminus domain deletion of beta4 and responsible for a form of juvenile myoclonic epilepsy prevents beta4 nuclear localization. In fact, the mutant beta1-481 unable to associate with B56delta/PP2A and to migrate to the nucleus does not interact with HP1gamma and histones. The signaling pathway allowing gene regulation by beta4 is prevented by the mutant. Thus, beta4 does not play a confined role in the cytoplasm as CCVD auxiliary subunit but also functions in the nucleus as a gene expression regulator.

La prise de décision cellulaire se traduit par la capacité de toute cellule vivante à intégrer les différentes informations provenant de son environnement, et à les transformer en une réponse biologique cohérente. Il est aujourd'hui de plus en plus démontré que les populations cellulaires présentent une hétérogénéité quantitative et qualitative significative, qui pourrait jouer un rôle essentiel dans le fonctionnement des organismes vivants. La première partie de ma thèse a ainsi consisté à étudier la variabilité de l'expression génique au cours de la différenciation de progéniteurs érythrocytaires aviaires primaires, à l'échelle de la cellule unique. L'expression de 92 gènes a été analysée par RT-qPCR dans des cellules isolées à différents temps de différenciation. Les principaux résultats de cette étude ont montré que la variabilité de l'expression des gènes, mesurée par l'entropie de Shannon, atteint un niveau maximal à 8h-24h de différenciation, simultanément à une chute du nombre de gènes corrélés. Cette augmentation de la variabilité génique précède l'engagement irréversible des cellules dans le processus de différenciation érythrocytaire identifié entre 24 et 48h. Cette étude a également mis en lumière le gène LDHA (Lactate dehydrogenase A), codant pour une enzyme de la glycolyse anaérobie, dans les progéniteurs érythrocytaires en état d'auto-renouvellement et aux points critiques, 8h et 24h, de la différenciation. La deuxième partie de ma thèse a donc consisté à analyser le rôle précis de LDHA dans l'auto-renouvellement des progéniteurs érythrocytaires, ainsi que les variations du métabolisme du glucose au cours de la différenciation. Nos premiers résultats suggèrent que le processus de différenciation érythrocytaire s'accompagne d'un changement métabolique correspondant au passage de la glycolyse anaérobie dépendante de LDHA, vers une production d'énergie aérobie, reposant sur la phosphorylation oxydative / The meaning of cell decision making consists in the capacity of every living cell to integrate environmental information and to transform it in a coherent biological response. Nowadays it is increasingly demonstrated that cell populations present a significant quantitative and qualitative heterogeneity that could be involved in living organisms functions. Thus, the first part of my thesis consisted in studying gene expression variability at the single-cell level during the differentiation process of primary avian erythroid progenitor cells. The expression of 92 genes was analyzed using RT-qPCR in cells isolated at different differentiation time-points. The main results of this study showed that gene expression variability, as measured by Shannon entropy, reached a maximal level, simultaneously to a drop in the number of correlated genes, at 8-24h of differentiation. This increase of the gene expression variability preceded the irreversible commitment of cells into differentiation, identified between 24h and 48h. This analysis also highlighted the potential importance ofLDHA(Lactate dehydrogenase A) encoding a glycolytic enzyme, in erythroid progenitors self-renewal and at the critical differentiation time-point 8-24h. Therefore the second part of my thesis consisted in analyzing the role of LDHA in erythroid progenitors self-renewal and the variations of glucose metabolism during the differentiation process. Our first results suggested that erythroid differentiation might be accompanied with a metabolic change, corresponding to a switch from anaerobic glycolysisdepending upon LDHA, toward aerobic energy production, relying upon oxidative phosphorylation