Les centromères contribuent à garantir la distribution égale de l'ADN en mitose. Leur identité n'est pas codifiée par la séquence d'ADN, mais de manière épigénétique par le variant de l'histone H3 CENP-A. Dans des lignées cellulaires humaines transformées, CENP-A est incorporé au centromère par son chaperon HJURP, au début de la phase G1. Pendant ma thèse, j'ai utilisé le modèle murin pour étudier les particularités de la chromatine centromérique et son dysfonctionnement dans le cancer. J'ai montré que CENP-A est maintenu sur le génome paternel au cours de la spermatogenèse, contrairement aux autres histones, et peut constituer une marque transgénérationnelle du centromère. Nous avons généré une souris KO pour HJURP pour l'étudier in vivo, et avons détecté son amplification dans de multiples souches de souris. En parallèle, nous avons étudié l'interaction entre la dynamique des variants d'histone et la structure d'ordre supérieur de la chromatine centromèrique. Nous avons découvert que la réorganisation de l'hétérochromatine péricentrique au cours du cycle cellulaire contrôle les deux modes distinctifs d'incorporation des variants d'H2A et la stoechiométrie de CENP A. Pour explorer le lien entre la tumorigenèse et la surexpression de CENP A/HJURP dans des cancers humains, nous avons utilisé un modèle de transformation de fibroblastes murins embryonnaires. Dans le fond génétique nul pour p53 de ces cellules, la surexpression exogène des deux facteurs n'apportait pas un avantage prolifératif mesurable, mais leur accumulation était une conséquence de la transformation. Actuellement, nous analysons si cette surexpression contribue à augmenter la capacité de transformation. / Centromeres are genomic loci ensuring equal distribution of the two sets of chromosomes in mitosis. Their identity is not encoded in the underlying DNA sequence but specified epigenetically by the histone H3 variant CENP-A. In transformed human cell lines, CENP A is deposited at centromeres by the histone chaperone HJURP in a distinct window of the cell cycle. During my PhD I have taken advantage of the mouse model to address cell cycle and developmental features of centromeric chromatin, as well as its dysfunction in cancer.Using an organism-level approach, I could observe that contrary to most histones, CENP-A is retained on the paternal genome during spermatogenesis, acting as a transgenerational mark of the centromere. To study the role of HJURP in vivo, we generated a knockout mouse and discovered that its genomic locus underwent amplification in several mouse subspecies.In parallel, we addressed the crosstalk between histone variant dynamics and higher-order chromatin structure at the centromere, and revealed that the dynamic reorganization of pericentric heterochromatin during the cell cycle controls the distinct incorporation of H2A variants and CENP-A stoichiometry.Finally, to explore the connection between tumorigenesis and CENP-A/HJURP overexpression, recorded in a number of human cancers, we used a mouse embryonic fibroblast model of transformation. We determined that whereas their overexpression did not confer a measurable proliferative advantage in a p53-deficient background, CENP-A/HJURP upregulation was a consequence of transformation. Whether their accumulation has a functional role to enhance tumorigenesis in this system was further investigated.

Covalent histone modifications such as methylation, acetylation as well as differential incorporation of histone variants are shown to coincide with different chromatin compartments and mark active or repressed genes. Msc1 is one of the seven JmjC Domain Proteins (JDPs) in Fission Yeast. JDPs are known to function in chromatin and some act as histone demethylases. We found that Msc1 is a member of Swr1 Complex which is known to exchange histone H2A variant H2A.z in nucleosomes. We purified H2A.z as a member of Swr1 Complex and its interaction with Swr1 Complex depends on Swr1. We’ve shown that histone H4 Lysine 20 trimethylation (H4 K20 Me3) is lost in h2A.z and msc1 deletion strains and these strains are sensitive to UV. Deletion strain of h2A.z is sensitive to Camptothecin. Histones H3 and H4 are obtained in Msc1 and H2A.z purifications and we’ve shown that histone H4 from these purifications has low level of Lysine 16 acetylation (H4 K16 Ac). Deletion strains of h2A.z, swr1 and msc1 are shown to be sensitive to TSA, a histone deacetylase (HDAC) inhibitor suggesting that H2A.z cooperates with HDACs. TSA treatment of wild type cells cause an increase in H4 K16 Ac and a decrease in H4 K20 Me3. Gene expression profiles of h2A.z, swr1 and msc1 are significantly similar and upregulated genes in deletion strains localize at chromosome ends (a region of 160 kb for each end). The number of stress or meiotic inducible genes is increased in deletion strains suggesting that H2A.z has a role in regulation of inducible genes. We suggest that H2A.z, in cooperation with HDACs, functions in regulation of chromatin accessibility of inducible promoters.

L’état local de la chromatine joue un rôle crucial dans tous les processus génétiques comme le contrôle de la transcription, de la réplication et de la réparation de l’ADN, de la signalisation, etc... La structure précise de l’organisation 3D du deuxième ordre de compaction de la chromatine, aussi appelé fibre de 30 nm, a été le sujet d’intenses débats durant les 40 dernières années. En se basant sur les données in vitro, deux modèles concurrents se distinguent: le solénoïde et le zigzag. Dans le modèle solénoïde, des nucléosomes consécutifs interagissent pour former une trajectoire hélicoïdale avec courbure de l’ADN de liaison. Dans le modèle zigzag, deux hélices d’empilement de nucléosomes se forment, reliées par l’ADN de liaison qui peut être droit ou tordu. Durant ma thèse, j’ai développé une nouvelle approche expérimentale biochimique, appelée ICNN (Identification of the Closest Neighbor Nucleosome), permettant de déchiffrer les interactions entre nucléosomes voisins au sein de la fibre et ainsi de définir sous quelle forme la chromatine se compacte. Nous avons démontré que dans une fibre compactée H1-dépendante, les nucléosomes N+2 sont les plus proches voisins d’un nucléosome N arbitrairement choisit. Ces résultats montrent, sans ambiguïté, l’organisation zigzag de la fibre de 30 nm. De plus, cette organisation reste indépendante de la longueur de l’ADN de liaison, démontrant ainsi que la longueur des nucléosomes (177-227 bp) n’affecte pas la structure de la chromatine et ne peut donc pas être responsable de l’hétérogénéité structurale décrite dans la littérature. La dynamique et la structure de la chromatine peuvent être affectées par l’incorporation de variants d’histones. Nos expériences utilisant des assemblages H2A.Z ne montrent aucune différence de repliement entre les fibres contenant H2A.Z et H2A. Ces données suggèrent que le mécanisme de régulation de la transcription spécifique de H2A.Z est indépendant du repliement de la chromatine. CENP-A est un élément de la chromatine centromérique indispensable à la division cellulaire. Les images cristallographiques montrent que les nucléosomes contenant CENP-A sont plus ouverts que le nucléosomes conventionnels à cause d’une hélice α-NCENP-A plus courte. Parallèlement, des résultats récents de notre laboratoire ont montré que H1 ne se lie pas d’une façon stable aux nucléosomes contenant CENP-A, ne conduisant à aucune organisation de l’ADN de liaison (données non publiées). Notre étude au niveau de la chromatine a confirmé l'absence de repliement de la fibre contenant CENP-A en présence de H1. De manière intéressante, le remplacement de CENP-A par un mutant α-NH3-CENP-A restaure la bonne liaison de H1 et le repliement de la fibre avec une conformation habituelle en zigzag comme dans une fibre contenant H3. / The local chromatin state plays a crucial role in all fundamental DNA-templated processes, such as transcription control, DNA replication or repair, signaling, etc. The precise 3D organization of the second level folding, the so-called 30 nm fiber, has been a matter of intense speculations and debates over the past 40 years. Two competing models have been proposed on the basis of in vitro data, the solenoid and zigzag arrangements. In the solenoid model, consecutive nucleosomes interact with each other and follow a helical trajectory with bent DNA linker. In the zigzag model, alternate nucleosomes interact with each other with straight, twisted or coiled linker DNA. During my thesis, I developed a new biochemical approach, called ICNN (Identification of the Closest Neighbor Nucleosomes), allowing a direct “visualization” of the neighboring nucleosomes within H1-dependent compacted chromatin. We showed that within H1-compacted regular nucleosomal array, N±2 nucleosomes are the nearest neighboring interaction partners of any arbitrary nucleosome N. This finding provides an unambiguous evidence for the zigzag two-start helix conformation of the 30 nm fiber. Furthermore, this organization remains independent on the DNA linker length, demonstrating that the nucleosome repeat length (177-227 bp) does not affect the chromatin structure and therefore cannot be a reason for chromatin structural heterogeneity as suggested in the literature. Chromatin structure and dynamics might be affected by the incorporation of histone variants. Our ICNN experiments with H2A.Z arrays showed no difference of folding between H2A.Z- and H2A-containing fibers. This finding suggests that the H2A.Z-specific transcriptional regulation involves mechanisms other than chromatin folding. CENP-A is a hallmark for centromeric chromatin that is indispensable for cell division. X-ray scattering in crystals showed that CENP-A-containing nucleosomes are more “open” than conventional ones due to the shorter α-NCENP-A helix. Besides, recent results in our lab showed that H1 does not stably bind to the CENP-A nucleosomes and that no stem organization of the linker is formed (not published). Our ICNN study at the chromatin level confirmed the absence of H1-induced folding of a regular CENP-A array. Interestingly, replacement of CENP-A with the α-NH3-CENP-A mutant restored proper H1 binding and folding of the fiber into the usual zigzag conformation, as does the conventional H3-containing fiber.

La chromatine est l'assemblage du matériel génétique, l'ADN et de protéines appelées histones. En plus de leur fonction d'entreposage du génome, ces dernières régulent l'accessibilité de l'ADN aux divers facteurs de régulation. Le variant d'histone H2A.Z est incorporé autour des promoteurs réprimés chez Saccharomyces cerevisiae. Ce variant semble impliqué dans la préparation des gènes réprimés. Cette préparation permet une expression rapide de ces gènes selon les conditions régulant leur activation. Bien qu'il soit essentiel à la viabilité chez les eucaryotes supérieurs, la délétion du gène HTZ1 n'est pas létale chez la levure. Celle-ci engendre cependant plusieurs phénotypes sévères, dont un ralentissement du cycle cellulaire et une sensibilité accrue à divers agents pharmacologiques. Par exemple, la caféine entraîne un arrêt en phase G1 chez le mutant. Cet arrêt correspond au point de contrôle du cycle cellulaire le plus important, le point de départ (START). Il est régulé de façon très stricte par la croissance et la taille des cellules. Lorsque toutes les conditions prolifératives sont réunies, une cascade positive active la cycline-kinase Cdc28 couplée à la cycline Cln3. Celles-ci phosphorylent l'inhibiteur (Whi5) du complexe de facteur de transcription responsable de l'induction des cyclines de la phase G1. Ce complexe, SBF, est normalement déjà lié aux promoteurs de ces cyclines et prépare le gène à une induction forte et rapide au moment opportun.

H2A.Z is an essential histone variant that has multiple chromosomal functions. One such role is transcriptional regulation. However, its role in this process is complex since it has been reported to function both as a repressor and activator. Earlier work in our lab showed that H2A.Z can be post-translationally modified with monoubiquitin (H2A.Zub1) and this form of H2A.Z is linked to transcriptional silencing. We further predicted that changes in the H2A.Z ubiquitylation status directly modulated its function in transcription. Furthermore, H2A.Z-containing nucleosomes possess a unique set of post-translational modifications (PTMs), compared to H2A nucleosomes, many of which are linked to transcriptional activation. The central aim of this thesis was to characterize the role of PTMs on H2A.Z nucleosomes in transcriptional regulation. To this end, I have provided the first evidence linking H2A.Z deubiquitylation to transcriptional activation. I demonstrated that ubiquitin specific protease 10 (USP10) is a deubiquitylase that targets H2A.Z in vitro and in vivo. Moreover, I found that both H2A.Z and USP10 are required for activation of androgen-receptor (AR)-regulated genes, and that USP10 regulates the levels of H2A.Zub1 at these genes. To understand how H2A.Z engages downstream effector proteins, in the nucleosome context, we used a mass spectrometry approach to identify H2A.Z-nucleosome-interacting proteins. Many of the identified proteins contained conserved structural motifs that bind post-translationally modified histones. For example, we found that Brd2 contains tandem bromodomains that engage H2A.Z nucleosomes through acetylated H4 residues. To investigate the biological relevance of this interaction, I present evidence that Brd2 is recruited to AR-regulated genes in a manner dependent on H2A.Z and the bromodomains of Brd2. Consistent with this observation, chemical inhibition of Brd2 recruitment greatly inhibited AR-regulated gene expression. Collectively, these studies have defined how H2A.Z mediates transcriptional regulation through multiple mechanisms and pathways.

Eukaryotic genomes are densely compacted into chromatin, so that they can be contained in the nucleus. Despite the tight packaging genes need to be accessible for normal metabolic activities to occur, such as transcription, repair and replication. These processes are regulated by a vast number of proteins but also by the level of compaction of chromatin. The translocation of motor proteins along DNA produces torsional stress which in turn alters chromatin compaction both upstream and downstream. Few single-molecule studies have investigated the behaviour of nucleosomes when subjected to torsion. The inability to measure the applied torque though represented a major limitation to those reports. The implementation of the rotor bead assay, which allows to directly measure the torque applied in magnetic tweezers experiments, has been hindered by a difficult sample preparation procedure. In order to overcome this limitation an efficient protocol for the insertion of chemical or structural modifications in long DNA substrates was developed. This was then further expanded to allow the introduction of labels in multiple loci and/or both strands and has been used successfully in a number of studies. Furthermore this is the first report of tensile experiments performed on nucleosomes with a histone variant. H2AvD nucleosomes were studied due to the interest in the biological role of H2A.Z-family proteins. Interestingly, the variant nucleosomes appear to bind less DNA and to be evicted from the DNA at lower forces than those observed for canonical nucleosomes. These findings show an important role for the H2A-H2B dimers in the mechanical stability of nucleosomes. Furthermore these results are in agreement with recently proposed models of a dynamic nucleosome, in contrast to the long-standing view of nucleosomes as static structures.

The ATP-dependent chromatin remodeling complex SWR1 exchanges a variant histone H2A.Z-H2B dimer for a canonical H2A-H2B dimer at nucleosomes flanking histone-depleted regions, such as promoters. This localization of H2A.Z is conserved throughout eukaryotes. SWR1 is a 1 Mega-Dalton complex containing 14 different polypeptides, including the AAA+ ATPases Rvb1 and Rvb2. Using electron microscopy, we obtained the three-dimensional structure of SWR1 and mapped its major functional components. Our data show that SWR1 contains a single hetero-hexameric Rvb1/2 ring that, together with the catalytic subunit Swr1, brackets two independently assembled multi-subunit modules. We also show that SWR1 undergoes a large conformational change upon engaging a limited region of the nucleosome core particle. Our work suggests an important structural role for the Rvb1/2 ring and a distinct substrate-handling mode by SWR1, thereby providing the first structural framework for understanding the complex dimer-exchange reaction.

La chromatine est l'assemblage du mat??riel g??n??tique, l'ADN et de prot??ines appel??es histones. En plus de leur fonction d'entreposage du g??nome, ces derni??res r??gulent l'accessibilit?? de l'ADN aux divers facteurs de r??gulation. Le variant d'histone H2A.Z est incorpor?? autour des promoteurs r??prim??s chez Saccharomyces cerevisiae. Ce variant semble impliqu?? dans la pr??paration des g??nes r??prim??s. Cette pr??paration permet une expression rapide de ces g??nes selon les conditions r??gulant leur activation. Bien qu'il soit essentiel ?? la viabilit?? chez les eucaryotes sup??rieurs, la d??l??tion du g??ne HTZ1 n'est pas l??tale chez la levure. Celle-ci engendre cependant plusieurs ph??notypes s??v??res, dont un ralentissement du cycle cellulaire et une sensibilit?? accrue ?? divers agents pharmacologiques. Par exemple, la caf??ine entra??ne un arr??t en phase G1 chez le mutant. Cet arr??t correspond au point de contr??le du cycle cellulaire le plus important, le point de d??part (START). Il est r??gul?? de fa??on tr??s stricte par la croissance et la taille des cellules. Lorsque toutes les conditions prolif??ratives sont r??unies, une cascade positive active la cycline-kinase Cdc28 coupl??e ?? la cycline Cln3. Celles-ci phosphorylent l'inhibiteur (Whi5) du complexe de facteur de transcription responsable de l'induction des cyclines de la phase G1. Ce complexe, SBF, est normalement d??j?? li?? aux promoteurs de ces cyclines et pr??pare le g??ne ?? une induction forte et rapide au moment opportun.

H2A.Z is an essential histone variant that has multiple chromosomal functions. One such role is transcriptional regulation. However, its role in this process is complex since it has been reported to function both as a repressor and activator. Earlier work in our lab showed that H2A.Z can be post-translationally modified with monoubiquitin (H2A.Zub1) and this form of H2A.Z is linked to transcriptional silencing. We further predicted that changes in the H2A.Z ubiquitylation status directly modulated its function in transcription. Furthermore, H2A.Z-containing nucleosomes possess a unique set of post-translational modifications (PTMs), compared to H2A nucleosomes, many of which are linked to transcriptional activation. The central aim of this thesis was to characterize the role of PTMs on H2A.Z nucleosomes in transcriptional regulation. To this end, I have provided the first evidence linking H2A.Z deubiquitylation to transcriptional activation. I demonstrated that ubiquitin specific protease 10 (USP10) is a deubiquitylase that targets H2A.Z in vitro and in vivo. Moreover, I found that both H2A.Z and USP10 are required for activation of androgen-receptor (AR)-regulated genes, and that USP10 regulates the levels of H2A.Zub1 at these genes. To understand how H2A.Z engages downstream effector proteins, in the nucleosome context, we used a mass spectrometry approach to identify H2A.Z-nucleosome-interacting proteins. Many of the identified proteins contained conserved structural motifs that bind post-translationally modified histones. For example, we found that Brd2 contains tandem bromodomains that engage H2A.Z nucleosomes through acetylated H4 residues. To investigate the biological relevance of this interaction, I present evidence that Brd2 is recruited to AR-regulated genes in a manner dependent on H2A.Z and the bromodomains of Brd2. Consistent with this observation, chemical inhibition of Brd2 recruitment greatly inhibited AR-regulated gene expression. Collectively, these studies have defined how H2A.Z mediates transcriptional regulation through multiple mechanisms and pathways.

Abstract : Regulation of transcription is crucial for the appropriate development and function of eukaryotic cells. In eukaryotes, DNA is organized into a dynamic, complex, nucleoprotein structure called chromatin. Chromatin structure provides markedly restricted access of transcription factors to regulatory sites. Several mechanisms have evolved to modulate chromatin dynamics in order to regulate proper gene expression. One of the most intriguing mechanisms that modulate chromatin structure is the exchange of canonical histones with histone variants by chromatin remodeling complexes. Among the histone variants, H2A.Z is an essential regulator of gene transcription. H2A.Z is enriched at regulatory regions but significant levels of the histone variant can also be found within gene bodies. However, the role of H2A.Z within the gene bodies is still not well understood. Recent evidence suggests that active recruitment of H2A.Z within gene bodies is required to induce gene repression. In contrast to this view, we show that global inhibition of transcription results in H2A.Z accumulation at gene transcription start sites, as well as within gene bodies. Our results indicate that accumulation of H2A.Z within repressed genes can also be a consequence of the absence of gene transcription rather than an active mechanism required to establish repression. The second part of my Ph.D. project was to investigate the potential role of BRD8 - a subunit of the p400/Tip60 complex - in p53-mediated signaling. We find that knockdown of BRD8 leads to p21 induction and concomitant cell cycle arrest in G1/S. We further demonstrate that the p53 transcriptional pathway is activated in BRD8-depleted cells, and this accounts for upregulation of not only p21 but also proapoptotic genes, an event that leads to consequent apoptosis. Importantly, the DNA damage response is induced upon depletion of BRD8 and DNA damage foci are detectable in BRD8-depleted cells under normal growth conditions, as indicated by immunostaining for γ-H2AX. Notably, H4K16 acetylation is reduced in BRD8-depleted cells suggesting that BRD8 may have a role in recruiting and/or stabilizing the p400/Tip60 complex within chromatin, thus facilitating DNA repair. Consistent with the activated DNA damage response, we find that in BRD8-depleted cells, CHK2 is activated but, surprisingly, CHK1 protein levels are severely reduced. Taken together, our results suggest that BRD8 is involved not only in mediating p53-dependant gene suppression, but also in mediating the DNA damage response. In the last part of my Ph.D. project, I investigated the possible mechanisms involved in recruitment of the p400 chromatin remodeler complex to chromatin. I showed that histone variant H2A.Z is essential for efficient recruitment of p53 and p400 to the distal p53 binding element of the p21 promoter. Furthermore, using double knockout (DKO) MEFs for p300/CBP I showed that the depletion of p300/CBP lead to a severe decrease in the recruitment of p400 at p21 promoter. Further studies are necessary to fully understand the role of p300/CBP in targeting p400 to chromatin. In conclusion, my studies provide insights into the molecular mechanisms involved in chromatin regulation by histone variant H2A.Z and chromatin remodeler complex p400. / Résumé : La régulation de la transcription est un mécanisme crucial pour le bon développement et fonctionnement des cellules eucaryotes. Chez les eucaryotes, l'ADN est organisé dans une structure dynamique de nucléoprotéines appelée chromatine. La structure de la chromatine forme une barrière qui contrôle l'accès des facteurs de transcription à leurs sites de fixation sur l’ADN. Plusieurs mécanismes ont été acquis au cours de l'évolution pour moduler la dynamique de la chromatine afin de réguler de manière adéquate l'expression des gènes. Un des mécanismes les plus intriguant qui module la structure de la chromatine est le remplacement des histones canoniques par des variants d'histones. Il est effectué par des complex de remodelage de la chromatine. Parmi les variants d'histones, H2A.Z est un régulateur essentiel de la transcription des gènes. H2A.Z est enrichi aux régions régulatrices des gènes, mais des niveaux significatifs de ce variant d'histone peuvent aussi être observés au cœur des gènes. Le rôle de H2A.Z localisé a lèintérieur gènes n'est, pour l'instant, pas bien compris. Des résultats récents suggèrent que le recrutement actif de H2A.Z dans les gènes est requis pour induire leur répression. En opposition à ces résultats, nous montrons que l'inhibition globale de la transcription conduit à l'accumulation de H2A.Z aux sites d'initiation de la transcription, mais aussi au cœur des gènes. Nos résultats indiquent que l'accumulation de H2A.Z dans les gènes réprimés serait une conséquence de l'absence de transcription plutôt qu'un mécanisme actif requit pour établir la répression. La seconde partie de mon doctorat a été dédiée à l'étude du rôle de BRD8 (une sous-unité du complexe p400/Tip60) dans la signalisation contrôlée par p53. Nous avons trouvé que la déplétion de BRD8 conduit à l'induction de p21 et à l'arrêt concomitant du cycle cellulaire en phase G1/S. Nous montrons aussi que le circuit transcriptionnel de p53 est activé dans les cellules déplétées en BRD8. Cela résulte en l'induction de p21, mais aussi de gènes proapoptotiques, ce qui conduit la cellule en apoptose. De manière marquante, la voie de réponse aux dommages de l'ADN est induite suite à la déplétion de BRD8, ce qui est observée par l'apparition de foci de dommages à l'ADN révélés par immunocoloration de γ-H2AX. De plus, l'acétylation de H4K16 est réduite dans les cellules déplétées en BRD8, suggérant que BRD8 pourrait avoir un rôle dans le recrutement et/ou la stabilisation du complexe p400/Tip60 dans la chromatine, et pourrait donc faciliter la réparation de l'ADN. En accord avec le fait que la réponse aux dommages de l'ADN soit activée, nous trouvons que dans les cellules déplétées en BRD8, CHK2 est activé mais étonnamment le niveau de la protéine CHK1 était fortement diminué. Ensemble, nos résultats suggèrent que BRD8 est impliqué non seulement dans la répression des gènes régulés par p53, mais aussi dans la réponse aux dommages de l'ADN. Finalement, dans la dernière partie de mon doctorat j'ai étudié le mécanisme qui pouvait être responsable du recrutement du complexe p400 au niveau de la chromatine. Nous avons montré que le variant d'histone H2A.Z est essentiel pour le recrutement de p53 et de p400 au site distal de fixation de p53 sur le promoteur de p21. De plus, en utilisant des cellules MEF DKO pour p300/CBP, nous avons montré que la déplétion de p300/CBP conduit à une diminution sévère du recrutement de p400 au promoteur de p21. En conclusion, mes études permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la chromatine par l'histone H2A.Z et le complexe de remodelage de la chromatine p400.