Les facteurs régulant l’hématopoïèse en contexte de vieillissement s’avèrent incomplètement compris. Nous avons étudié les déterminants de la variabilité des traits de la formule sanguine complète dans une cohorte de 2996 femmes apparentées et non-apparentées d’ascendance française du Québec âgées de 55 à 101 ans. Les déterminants héréditaires ont été évalués par étude d’association pan-génomique. Des facteurs acquis, incluant comorbidités et hématopoïèse clonale, ont aussi été évalués. Des analyses multivariées ont été réalisées avec des modèles linéaires mixtes généralisés. Nous avons identifié des variants dans la région de GSDMA et PSMD3-CSF3 significativement associés au décompte de neutrophiles et un polymorphisme intronique à ARHGEF3 associé au décompte plaquettaire. L’effet de certains variants diminuait avec l’âge. Avec l’âge, les décomptes de neutrophiles et monocytes augmentaient tandis que le décompte des lymphocytes décroissait. Les valeurs de neutrophiles (4,1x109/L vs 3,83x109/L, valeur-p <0,001), monocytes (0,50x109/L vs 0,45x109/L, valeur-p <0,001) et plaquettes (259x109/L vs 243x109/L, valeur-p <0,001) étaient augmentées lors de comorbidités cardiométaboliques (maladie coronarienne, hypertension, diabète, dyslipidémie). L’hématopoïèse clonale ne modifiait pas les décomptes. En conclusion, nous identifions des déterminants génétiques héréditaires contribuant à la variabilité des décomptes cellulaires sanguins dans une cohorte vieillissante. De plus, le vieillissement est associé à des niveaux accrus de neutrophiles et monocytes et une diminution des lymphocytes indiquant un biais myéloïde, lequel est majoré lors de comorbidités métaboliques. L’hématopoïèse clonale ne contribue pas à ce biais myéloïde. Ces résultats supportent le fait que des facteurs extrinsèques, possiblement via un effet inflammatoire, promeuvent le biais myéloïde relié à l’âge. / Our understanding of the factors regulating peripheral blood cell traits in the setting of aging remains incomplete. We investigated the determinants underlying blood cell trait variability in a cohort of 2996 related and unrelated women of French ancestry from Québec aged 55 to 101 years. We performed a genome-wide association study to assess for genetic variants. We also assessed the impact of acquired factors such as chronic comorbidities and clonal hematopoiesis. Multivariate analyses were subsequently performed using generalized linear mixed models. We identify variants in the region of GSDMA and PSMD3-CSF3 that meet genome-wide requirements for neutrophil counts and a variant intronic to ARHGEF3 for platelet counts. With aging, the effect of certain variants decreased. Aging was associated with increasing neutrophil and monocyte counts and decreasing lymphocyte counts. We also document that individuals with cardiometabolic comorbidities (diabetes, coronary heart disease, hypertension and dyslipidemia) exhibit significantly higher neutrophil (4.1x109/L vs 3.83x109/L, p-value <0.001), monocyte (0.50x109/L vs 0.45x109/L p-value <0.001), and platelet (259x109/L vs 243x109/L, p-value <0.001) counts. Clonal hematopoiesis did not contribute significantly to these traits. In conclusion, germline variants related to GSDMA and PSMD3-CSF3 contribute to neutrophil counts and a SNP intronic to ARHGEF3 contributes to platelet counts. Aging is associated with a myeloid shift with increased levels of neutrophils and monocytes, and reduced lymphocyte counts. This myeloid-biased skewing is further increased with cardiometabolic comorbidities. Clonal hematopoiesis does not contribute to this phenomenon. These findings support that cellextrinsic factors may contribute to the myeloid shift possibly through low-grade inflammation.

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) assurent une production constante des cellules sanguines tout au long de la vie, mais sont vulnérables à l’acquisition de mutations pouvant mener à une transformation maligne. Les mutations qui confèrent un avantage de croissance entraîneront une prolifération clonale. L’étude de la clonalité est centrale à la compréhension de ces phénomènes. Historiquement, l’analyse de la clonalité a été possible grâce au principe de l’inactivation du chromosome X (ICX) chez les femmes qui entraîne la création de deux populations cellulaires, celle avec le X-paternel actif et celle avec le X-maternel actif. Une déviation (biais) de la proportion théorique de 1 :1 entre ces deux populations peut supposer une dominance clonale. Nous avons démontré un biais significatif de l’ICX chez les femmes avec l’âge. Ce phénomène peut être expliqué par plusieurs causes dont la sélection hémizygote (un des deux X possède des allèles plus forts que l’autre) et l’acquisition de mutations dans une CSH. Nous posons l’hypothèse que ces deux phénomènes coexistent et peuvent être distingués par une approche génomique. Nous avons recruté une cohorte de 2996 femmes canadiennes-françaises âgées entre 37 et 101 ans composée de 2172 individus issus de 321 familles et de 824 individus non apparentés. Deux tissus biologiques ont été recueillis : le sang périphérique (PMN, monocytes, lymphocytes T, lymphocytes B) et des cellules buccales. Le ratio de l’ICX a été déterminé par la méthode HUMARA, l’analyse de gènes associés à l’hématopoïèse clonale (19 gènes) a été faite par la méthode de séquençage NGS, et la cohorte a été génotypée à 700 625 loci polymorphiques de l’ADN (SNP). Des analyses bioinformatiques ont été - iv - appliquées pour étudier la contribution génétique au biais de l’ICX. Nous démontrons que : (i) le biais de l’ICX est plus prévalent dans les cellules sanguines par rapport aux cellules épithéliales et maximal dans les cellules myéloïdes; (ii) le biais augmente avec l’âge seulement dans les cellules sanguines et que cette influence est plus marquée pour les neutrophiles; (iii) la concordance du biais est très importante pour les différents types cellulaires sanguins, suggérant un mécanisme opérant au niveau de la CSH ; (iv) il y a une composante héréditaire liée au biais de l’ICX; (v) la présence de mutations acquises (TET2, DNMT3A, etc.) explique seulement une partie du biais ; (vi) à l’aide d’analyses par liaison génétique la présence d’une région sur le chromosome X à Xq21 (LOD score 4.9) qui est associée au biais des lymphocytes T et une autre sur le chromosome 1 à 1q21 (LOD score 6) qui est associée au biais des neutrophiles. Nous avons départagé la contribution liée à l’acquisition de mutations somatiques et identifié pour la première fois des régions liées à une prédisposition génétique. Nos travaux se poursuivront d’une part par l’analyse de gènes candidats dans les régions identifiées, et d’autre part nous tenterons d’identifier les cibles génétiques qui confèrent un potentiel de transformation maligne en utilisant une approche basée sur l’analyse du méthylome, de l’hydroxyméthylome et du transcriptome que nous venons de valider. Notre étude démontre la complexité de l’adaptation de l’hématopoïèse au vieillissement et ouvre des portes sur l’identification de facteurs prédisposant aux cancers hématologiques. / Hematopoietic stem cells (HSC) ensure a constant lifelong production of blood cells, but are vulnerable to acquisition of mutations, which may lead to malignant transformation. Mutations that confer a growth advantage will lead to clonal derivation of cells. The study of clonality is central to the understanding of hematopoiesis adaptation to aging. Historically, the first clonality assays were based on the principle of X-chromosome inactivation (XCI) in women. Women are mosaics with half the cells with the paternal X active and the other half with the maternal one. A skewing from the theoretical 1:1 ratio between these two populations of cells could infer clonal derivation of cells. More than 20 years ago, our team demonstrated, through analysis of (XCI) in women, that skewing increases with age. This intriguing phenomenon can be explained by several etiology including hemizygous selection (one of the 2 Xs has stronger alleles) or the acquisition of mutations giving a growth advantage. The first etiology is genetically predetermined and the second, acquired in somatic cells of bone marrow. We hypothesize that these two phenomena coexist and can be distinguished with a genomic approach. To test our hypothesis, we investigated skewing in a cohort of 2996 French-Canadian women aged 37 to 101 comprised of 2172 related individuals from 321 families and 824 unrelated individuals. We analyzed XCI ratios at the HUMARA locus in epithelial cells, neutrophils, T-cells, monocytes, B-lymphocytes. We genotyped the cohort for clonal hematopoiesis and looked for germline heritable components by genome wide association studies and linkage analyses. We document that skewing was more prevalent in blood cells than in epithelial cells, and maximal in myeloid cells. Skewing increases with age only in blood cells. Intra- vi - individual correlation of skewing blood cell types was strongly correlated, suggesting selection influences operating at the HSC. Sibship analyses demonstrated heritability which was strongest when parental origin of skewing was taken into account. Clonal hematopoiesis accounted only for a small proportion of the skewing trait but its importance increased in the very old. Linkage analysis identified a region at Xq21 for skewing occurring in T-cells (LOD score 4.9) suggesting a hemizygous cell selection influence. We also identified a region at 1q21 for skewing in neutrophils (LOD score 6) suggesting a gene-gene interaction with Xlinked genes. We have demonstrated that age-associated skewing is a complex trait caused in part by acquired mutations and genetic predisposition variants. We will pursue our investigation using a candidate gene approach in the two identified regions and will try to identify genetic targets of oncogenic potential by a method based on analysis of the methylome, hydroxymethylome and transcriptome that was have validated in this cohort. This thesis demonstrates the complexity of the adaptation mechanisms of hematopoiesis to aging and set the stage to identification of factors predisposing to hematological cancers.

Les cellules sanguines jouent un rôle fondamental dans le bon fonctionnement du corps et sont régulées de manière à répondre à ses besoins immédiats. Malgré leurs fonctions distinctes, plusieurs études suggèrent que les processus de régulations des globules rouges et des plaquettes sanguines interagissent entre eux, notamment par l'intervention d'hormones. On s'intéresse ici aux interactions conceptuelles entre ces deux familles de cellules sanguines à l'aide d'un modèle de deux équations différentielles à délais couplées. L'analyse de la distribution des valeurs propres de l'équation caractéristique du modèle linéarisé permet de dresser un portrait de stabilité de l'équilibre du système dans un plan de paramètre approprié. On s'intéresse notamment aux possibilités de déstabilisation et de restabilisation par le couplage des deux équations. L'analyse des diagrammes de stabilité pour ces différents cas de figure permet de mettre en évidence des dynamiques intéressantes comme des alternances de stabilité par l'action des délais et différents types de bifurcations déstabilisatrices de l'équilibre. / Blood cells play a fundamental role in the proper functioning of the body and are regulated to respond to its immediate needs. Despite their distinct functions, several studies suggest that the regulatory processes of red blood cells and blood platelets interact with each other, notably through the intervention of hormones. We aim to study the conceptual interactions between these two families of blood cells using a coupled two-delay differential equation model. The analysis of the distribution of eigenvalues of the characteristic equation of the linearized model allows us to outline a stability portrait of the system in a suitable parameter plane. We are particularly interested in exploring the possibilities of destabilization and restabilization through the coupling of the two equations. The analysis of stability diagrams for these different scenarios highlights interesting dynamics such as stability switches due to the influence of delays and various types of destabilizing bifurcations of the equilibrium.

La mégakaryopoïèse est un processus complexe, qui prend naissance à partir des cellules souches hématopoïétiques (HSC). Ces dernières se différencient par étapes successives en mégakaryocytes (MKs) qui, suite à leur maturation, libèrent les plaquettes. Afin de modéliser le sort des HSCs lors de la mégakaryopoïèse en culture, un nouveau modèle mathématique a été développé, basé sur un programme de différenciation tridimensionnelle (3-D) où chaque sous-population est représentée par un compartiment. Dans le but d’évaluer la prolifération, la différenciation des MKs immatures puis matures, la cinétique de mort cellulaire ainsi que le nombre de plaquettes produites, à partir des cellules de sang de cordon (CB) ombilical enrichies en CD34+, un ensemble d'équations différentielles a été déployé. Les cellules CD34+ ont été placées en culture dans un milieu optimisé pour la différenciation mégakaryocytaire. Les paramètres cinétiques ont été estimés pour deux températures d'incubation (37°C versus 39°C). Les résultats des régressions ont été validés par l'évaluation de l'estimabilité des paramètres, en utilisant des analyses de sensibilité locale et globale, puis la détermination d'un intervalle de confiance. Ceux-ci ont été comparés par le biais de tests statistiques et d’analyses en composante principale (ACP). Le modèle proposé pourrait permettre de mieux comprendre les phénomènes complexes observés. Les MKs sont uniques parmi les cellules hématopoïétiques, étant les seules à devenir polyploïdes au cours de leur développement par l’entremise de l’endomitose, un processus mitotique qui se termine prématurément durant la cytocinèse. Pour obtenir une image plus complète et exhaustive de la mégacaryopoïèse, une approche d’imagerie cellulaire à grand champ et à long terme a été développée permettant de suivre individuellement l'évolution des HSCs lors de leur différenciation ex vivo. Cela a permis de démontrer que les MKs polyploïdes sont encore capables de se diviser et de produire des cellules filles polyploïdes, et que ce processus est plus fréquent chez les MKs issues de CB que de moelle osseuse d'adulte. De plus, le processus de formation des proplaquettes semble également réversible. Les phénomènes énoncés plus haut étaient inversement proportionnels au niveau de ploïdie des MKs. En conclusion, cette étude a dévoilé de nouvelles propriétés jusqu’ici inconnues des MKs. / Megakaryopoiesis is a complex process, which is initiated with the proliferation and the differentiation of hematopoietic stem cells (HSC) into megakaryocytes (MK), followed by the maturation of MK and ended by platelet release. To describe the fates of HSC during ex vivo megakaryopoiesis, a new mathematical model was developed based on a 3-dimensional kinetic developmental program. To address this, a set of differential equations was applied to analyze the proliferation, differentiation and death kinetic rates of purified cord blood (CB)-CD34+ cells, immature and mature MKs, as well as platelet number and productivity. CB-CD34+ cells were placed in culture optimized for MK differentiation. The kinetic parameters were estimated for two incubation temperatures (37°C vs. 39°C). The regression results have been validated by assessing the parameter identifiability using local and global sensitivity analyses and confidence intervals, and compared using statistical tests and principal component analysis (PCA). Furthermore, PCA was applied on the solution matrix to construct a simplified MK differentiation pathway model, and to reveal dependencies among the model parameters. The proposed model provides insight into phenomena that would be otherwise difficult to interpret. MKs are unique among mammalian marrow cells as they polyploidize during their natural development. It is universally accepted that MK becomes polyploid by repeatedly deviating from normal cell cycling, where it ceases to complete cytokinesis and divide. To challenge this long-standing hypothesis and to obtain a more comprehensive picture of megakaryopoiesis, a long-term and large-field live cell imaging approach of in vitro MK culture was developed. Using CB- and bone marrow (BM)-CD34+ as starting cells, the direct observation of cells undergoing differentiation and maturation over a 5-day culture period is reported for the first time. Herein, direct visual proof that polyploid MKs can complete cytokinesis during its normal development is presented. This phenomenon was found not restricted to CB- as the BM-derived polyploid MK also underwent division. However the latter showed significantly lower proliferation rate. This new finding explains in part the unresolved issue of low ploidy levels observed in CB-MK and contests the notion that polyploid MKs do not divide.

Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) sont des cellules souches adultes, responsables du maintien du système sanguin tout au long de la vie des vertébrés. Les CSH sont des cellules multipotentes spécialisées qui possèdent deux propriétés principales : leur capacité à se différencier en de multiples lignées et leur capacité à créer d'autres cellules souches (c'est-à-dire l'autorenouvellement). Grâce à ces caractéristiques, les CSH ont un énorme potentiel thérapeutique. En effet, la transplantation de CSH constitue à ce jour une option de choix pour le traitement de plusieurs maladies et troubles hématologiques. Les CSH ne se retrouvent que dans certains échantillons biologiques comme la moelle osseuse, les cellules mobilisées de la moelle osseuse dans le sang périphérique ou les cellules de sang de cordon ombilical. Les applications cliniques des CSH sont souvent limitées en raison de leur faible fréquence dans les échantillons biologiques, c’est pourquoi leur expansion ex vivo est un domaine de recherche en plein essor. Des approches basées sur des petites molécules pour amplifier le nombre les cellules couches ex vivo ont été testées avec succès pour permettre la prolifération des cellules et freiner leur différentiation. Notre groupe a contribué à ce domaine en identifiant la petite molécule UM171 qui peut amplifier les CSH ex vivo par reprogrammation épigénétique. Dans le cadre des efforts d’expansion ex vivo des CSH, un obstacle majeur est la caractérisation des cellules qui ont proliféré ex vivo afin d’évaluer de façon exhaustive le potentiel des greffons pour des applications ultérieures. La caractérisation phénotypique des CSH amplifiées ex vivo est une approche prometteuse pour aider à isoler et à purifier les cellules souches. Les travaux de cette thèse explorent l'association de l'immunophénotype à la fonctionnalité des cellules souches pour nous aider à définir l'hétérogénéité des cellules amplifiées. Au chapitre 2, en utilisant un profilage de cellules amplifiées basée sur le transcriptome, nous avons pu identifier CEACAM1 comme un nouveau marqueur fonctionnel des CSH. Concomitamment, au chapitre 3, nous appliquons une approche alternative basée sur le protéome de la surface cellulaire pour aider à caractériser le phénotype des cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (CSPH) amplifiées ex vivo afin d'identifier GPA33 en comme marqueur probable de CSH. Les marqueurs de surface compatibles avec la culture constituent un excellent outil pour un isolement prospectif rapide et des manipulations in vitro et in vivo supplémentaires pour permettre une meilleure compréhension de la biologie des cellules souches. La caractérisation des HSPC expansées ex vivo est donc une tentative de combler le fossé et de permettre des stratégies thérapeutiques améliorées. / Hematopoietic stem cells (HSCs) are responsible for maintaining the blood system throughout the lifespan of vertebrates. HSCs are specialized multipotent cells that have two main properties – their ability to differentiate into multiple lineages and their ability to create more stem cells (i.e. self-renewal). Due to these special abilities, HSCs have tremendous therapeutic potential. HSCs thus to date are the best curative measure against most hematological malignancies and disorders. HSCs occur in limited frequency and can be found only from certain conserved sources like the bone marrow or mobilized cells from the bone marrow in the peripheral blood or umbilical cord blood cells. Clinical applications of HSCs are often restricted due to their low occurring frequencies, therefore ex vivo expansion is a growing research field. Small molecule-based approaches to expand stem cells ex vivo have been successfully tested to allow for proliferation of cells by curbing their differentiation. Our group has contributed to this field by the identification of the small molecule UM171 which can expand hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) ex vivo via epigenetic reprogramming. To expand HSPCs ex vivo a major hurdle is the proper characterization of the ex vivo expanded cells to evaluate the full potential of grafts for further downstream applications. Phenotypic dissociation of ex vivo expanded HSPCs is a prospective tool to help isolate and purify stem cells. Identification of culture-compatible surface markers is therefore the first step to help characterize the ex vivo expanded cells. The work in this thesis explores the association of immunophenotype to the functionality of stem cells to help us delineate the heterogeneity of expanded cells. In Chapter 2, using transcriptome-based interrogation of expanded cells, we were able to identify CEACAM1 as a novel functional marker of HSCs. Whereas, in Chapter 3 we apply an alternative cell surface proteome-based approach to help characterize the phenotype of ex vivo expanded HSPCs to identify GPA33 as a probable HSC marker. Culture-compatible surface markers make for an excellent tool for rapid prospective isolation and additional in vitro and in vivo manipulations to allow a better understanding of stem cell biology. Characterization of ex vivo expanded HSPCs is thus an attempt to help bridge the gap and allow for enhanced therapeutic strategies.

L’anémie falciforme (AF) est une maladie monogénique dans laquelle la polymérisation d’une hémoglobine anormale (hémoglobine S, Hb S) entraine la déformation et la destruction du globule rouge. L’AF est associée à de nombreuses complications cliniques avec une très grande hétérogénéité dans son expression. En dehors de l’impact important de l’hémoglobine fœtale (Hb F), cette variabilité est mal comprise et peu d’outils sont disponibles afin d’identifier les patients à risque de complications. Nous avons utilisé différentes approches afin d’étudier les déterminants génétiques constitutionnels et somatiques de l’expression de l’AF ainsi que leur utilité dans la prise en charge des patients. Dans un premier temps, nous avons montré que les scores polygéniques pour les traits sanguins étaient moins performants chez les individus avec AF que sans. Nous avons montré que cette différence était en partie liée au poids d’autres déterminants génétiques et identifié un effet épistatique entre l’AF et le variant nul Duffy qui avait un effet très réduit en présence d’AF. Nous avons ensuite montré qu’un score polygénique simple pour l’Hb F expliquait une grande partie de sa variance et permettait d’améliorer la modélisation des crises de douleurs. Pour finir, à partir d’une réanalyse de la plus grande cohorte de patients avec AF ainsi que par randomisation mendélienne, nous avons montré l’effet causal protecteur de l’Hb F sur les accidents vasculaires cérébraux. Dans un second temps, nous avons analysé un crible génétique ciblé sur la densité du globule rouge, paramètre influençant la polymérisation de l’Hb S. Nous avons identifié de nombreux variants ayant un effet causal sur la densité à des fins de validation fonctionnelle. Pour finir, nous avons montré que l’AF influençait l’apparition d’une hématopoïèse clonale. Cette dernière était en effet détectée chez des patients plus jeunes et avait une prévalence plus élevée chez les individus avec AF que sans. En résumé, ce travail apporte un éclairage nouveau sur les conséquences de l’AF en montrant son influence sur l’expression de déterminants génétiques constitutionnels et somatiques. Ces déterminants représentent des outils pouvant permettre d’améliorer la prise en charge des patients avec AF. / Sickle cell disease (SCD) is a monogenic disorder leading to the polymerization of an abnormal hemoglobin (hemoglobin S, Hb S), that deforms the red cell, eventually leading to its destruction. SCD is associated with numerous complications with a great heterogeneity in its expression. Beside the important impact of fetal hemoglobin (Hb F), this variability is poorly understood, and few tools are available in the clinic to identify patients at high risk of complications. We used several approaches to study constitutional and somatic genetic determinants of SCD expression and their utility in patients’ management. First, we showed that polygenic scores for hematological traits were less performant in individuals with SCD than without. We showed that this difference was partly due to other genetic determinants and identified an epistatic effect between SCD and the Duffy antigen/chemokine receptor (DARC) null variant, which had a markedly reduced effect in SCD. We then showed that a simple polygenic score for Hb F explained a large part of the variance and improved modeling of pain crises. Based on the largest SCD cohort reanalysis and using Mendelian randomization, we showed that Hb F had a causal protective effect against stroke. Second, we analyzed a CRISPR-Cas9 targeted screening for red cell density, which influences Hb S polymerization. We identified many variants that influenced density as candidate to functional validations. Finally, we showed that SCD influenced the occurrence of clonal hematopoiesis. Clonal hematopoiesis was detected in younger patients and had an increased prevalence in individuals with SCD than without. In sum, this work shed light on a new category of consequences of SCD by showing its influence on the expression of constitutional and somatic determinants. These determinants are tools that can be used to improve the management of patients with SCD.

La génération des cellules hématopoïétiques, aussi connue sous le nom d'hématopoïèse, est contrôlée par l’activité conjuguée de facteurs de transcription lignée-spécifiques permettant l’expression, en temps et lieu, de gènes spécifiques nécessaires pour le développement cellulaire. Dans le cadre de notre étude, nous avons étudié les facteurs de transcription KLF2 et KLF4 qui jouent des rôles cruciaux dans la formation des lymphocytes B et T. KLF2 et KLF4 activent la transcription de gènes spécifiques via leur interaction avec le co-activateur (CBP). Leurs interactions avec CBP requièrent le domaine de transactivation (TAD) qui est localisé dans la région N-terminal des facteurs KLF2 et KLF4. Des études préalables ont montré que des domaines TAD sont aussi présents chez la protéine suppresseur de tumeur p53 et que ces domaines sont requis pour les interactions entre la protéine p53 et le co-activateur CBP. Récemment, plusieurs structures des TADs de p53 en complexe avec les domaines TAZ2 et KIX de CBP ont permis de démontrer que ces TADs sont de nature acide et contiennent un motif ΦΧΧΦΦ crucial pour la formation des interactions. De plus, il s’avère que ces TADs sont similaires aux TADs de KLF2 et KLF4. L’étude présentée dans ce mémoire relate la caractérisation structurelle et fonctionnelle des interactions formées par les facteurs de transcription KLF2 et KLF4 avec leur partenaire d'interaction, CBP, pour activer la transcription de gènes spécifiques. Nos analyses ont été faites en utilisant différentes techniques telles que le titrage calorimétrique isotherme (ITC), la résonance magnétique nucléaire (RMN) ainsi que des expériences de transactivation chez la levure. Notre étude permet une meilleure compréhension des rôles opposés mais complémentaires qu'ont les protéines KLF2 et KLF4 au cours du développement et de la différentiation des lymphocytes B et T en plus de fournir les détails mécanistiques à la base de leurs interactions. Ces informations seront potentiellement utiles pour le développement d'outils à des fins thérapeutiques dans le cadre des leucémies, notamment. / Hematopoietic development is regulated through a combinatorial interplay between lineage-specific activators and the general transcription factors that enables cell-specific patterns of gene expression. In this study, the transcription factors KLF2 and KLF4 play crucial roles in lymphocytes B and T development by activating transcription of specific genes through interactions with the co-activator (CBP). These interactions involve the transactivation domains (TAD) localized in the N-terminal region of KLF2 and KLF4 factors. Previous studies have shown that TADs are also found in the tumor suppressor protein p53 and these TADs are responsible for the interactions between the p53 protein and the coactivator CBP. Recently, several structures of p53TADs in complex with the TAZ2 and KIX domains of CBP have shown that these TADs are acidic and possess a ΦΧΧΦΦ motif crucial for the formation of the interaction. Interestingly, these TADs are similar to the ones found on KLF2 and KLF4. This thesis provides a structural and functional characterization of the interactions formed by the transcription factors KLF2 and KLF4, which have opposing roles, and competes for the same interacting partner CBP to activate transcription. The analysis is done using isothermal titration calorimetry (ITC), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and a yeast activation assay. This study brings a greater understanding on the opposing roles yet complementary of KLF2 and KLF4 proteins involved in B and T lymphocytes specific lineages selection and also provides information for potential therapeutic research regarding disease such as leukemia.

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De nombreux travaux récents ont démontré l'importance de la stochasticité dans l'expression des gènes à différentes échelles. On passera tout d'abord en revue les principaux résultats expérimentaux pour motiver l'étude de modèles mathématiques prenant en compte des effets aléatoires. On étudiera ensuite deux modèles particuliers où les effets aléatoires induisent des comportements intéressants, en lien avec des résultats expérimentaux: une dynamique intermittente dans un modèle d'auto-régulation de l'expression d'un gène; et l'émergence d'hétérogénéité à partir d'une population homogène de protéines par modification post-traductionnelle.\\ Dans le Chapitre I, nous avons étudié le modèle standard d'expression des gènes à trois variables: ADN, ARN messager et protéine. L'ADN peut être dans deux états, respectivement ''ON'' et ''OFF''. La transcription (production d'ARN messagers) peut avoir lieu uniquement dans l'état ''ON''. La traduction (production de protéines) est proportionnelle à la quantité d'ARN messager. Enfin la quantité de protéines peut réguler de manière non-linéaire les taux de production précédent. Nous avons utilisé des théorèmes de convergence de processus stochastique pour mettre en évidence différents régimes de ce modèle. Nous avons ainsi prouvé rigoureusement le phénomène de production intermittente d'ARN messagers et/ou de protéines. Les modèles limites obtenues sont alors des modèles hybrides, déterministes par morceaux avec sauts Markoviens. Nous avons étudié le comportement en temps long de ces modèles et prouvé la convergence vers des solutions stationnaires. Enfin, nous avons étudié en détail un modèle réduit, calculé explicitement la solution stationnaire, et étudié le diagramme de bifurcation des densités stationnaires. Ceci a permis 1) de mettre en évidence l'influence de la stochasticité en comparant aux modèles déterministes; 2) de donner en retour un moyen théorique d'estimer la fonction de régulation par un problème inverse. \\ Dans le Chapitre II, nous avons étudié une version probabiliste du modèle d'agrégation-fragmentation. Cette version permet une définition de la nucléation en accord avec les modèles biologistes pour les maladies à Prion. Pour étudier la nucléation, nous avons utilisé une version stochastique du modèle de Becker-Döring. Dans ce modèle, l'agrégation est réversible et se fait uniquement par attachement/détachement d'un monomère. Le temps de nucléation est définit comme le premier temps où un noyau (c'est-à-dire un agrégat de taille fixé, cette taille est un paramètre du modèle) est formé. Nous avons alors caractérisé la loi du temps de nucléation dans ce modèle. La distribution de probabilité du temps de nucléation peut prendre différente forme selon les valeurs de paramètres: exponentielle, bimodale, ou de type Weibull. Concernant le temps moyen de nucléation, nous avons mis en évidence deux phénomènes importants. D'une part, le temps moyen de nucléation est une fonction non-monotone du paramètre cinétique d'agrégation. D'autre part, selon la valeur des autres paramètres, le temps moyen de nucléation peut dépendre fortement ou très faiblement de la quantité initiale de monomère . Ces caractérisations sont importantes pour 1) expliquer des dépendances très faible en les conditions initiales, observées expérimentalement; 2) déduire la valeur de certains paramètres d'observations expérimentales. Cette étude peut donc être appliqué à des données biologiques. Enfin, concernant un modèle de polymérisation-fragmentation, nous avons montré un théorème limite d'un modèle purement discret vers un modèle hybride, qui peut-être plus utile pour des simulations numériques, ainsi que pour une étude théorique.