La ségrégation fidèle des chromosomes est dirigée par le centromère, un locus chromosomique spécialisé qui est requis pour l’assemblage des kinetochores actifs. Les centromères sont marqués épigénétiquement par la présence d’un nucléosome unique qui contient un variant centromérique de l’histone H3 appelé Centromere protein A (CENP-A). Une question fondamentale est comment CENP-A est spécifiquement déposé aux centromères. L’objectif de ma thèse a été d’identifier les facteurs spécifiques de la déposition de CENP-A. Pour identifier les facteurs spécifiques impliqués dans la déposition de CENP-A aux centromères, j’ai utilisé la méthode de purification TAP-TAG à partir d’une fraction nucléaire soluble de cellules HeLa exprimant stablement une copie ectopique de CENP-A (e-CENP-A). J’ai ainsi pu identifié la protéine Holliday Junction Recognition protein (HJURP). En utilisant un siRNA spécifique de HJURP, j’ai montré que la localisation et la déposition de CENP-A étaient fortement affectées. La protéine recombinante HJURP lie de manière stoechiométrique le tétramère CENP-A/H4 mais il ne lie pas le tétramère H3/H4. La liaison se fait grâce à un petit domaine conservé en position N-terminal de HJURP, dénommé CBD (CENP-A binding domain). De plus, j’ai pu mettre en évidence in vitro que HJURP facilitait la déposition du tétramère CENP-A/H4 sur de l’ADN satellite. L’ensemble de mes résultats démontre très clairement que HJURP est la principale chaperone responsable de la déposition de CENP-A aux centromères. / Centromere is a specialized chromosomal locus, where kinetochore assembles, which is required for correct chromosome segregation during cell division. In higher eukaryotes, centromere specification is independent of the DNA sequence and is determined epigenetically by the presence of a unique nucleosome that contains a histone H3 variant, called CENP-A. A fundamental question in centromere biology is that how CENP-A is specifically delivered to and maintained on centromeres. The aim of my thesis was to identify specific chaperone in human, responsible for CENP-A loading to centromeres, by using biochemical and proteomic strategies. To identify CENP-A deposition machinery, I purified the prenucleosomal CENP-A complex from HeLa cells stably expressing epitope tagged CENP-A. By mass spectrometry analysis of proteins present in CENP-A and H3.1 complex, I found HJURP uniquely in CENP-A prenucleosomal complex. Down regulation of HJURP by specific siRNA strongly diminished centromeric localization of CENP-A. Bacteriallyexpressed HJURP specifically binds to the CATD domain of CENP-A, via a highly conserved Nterminal domain, called CBD. Finally, I showed that HJURP is able to facilitate the efficient deposition of CENP-A/H4 tetramer on naked DNA. Taken together, my data demonstrate that HJURP is a key chaperone responsible for the targeting and deposition of newly synthesized CENPA at centromeres.

La spermatogénèse, processus de production des gamètes mâles, représente un modèle physiologique pertinent pour l’étude de la dynamique de la chromatine. En effet, une réorganisation drastique du génome est observée en fin de spermatogénèse, lors des étapes post-méiotiques du développement de la lignée germinale mâle. Ces réorganisations visent d’une part à compacter le génome afin de le protéger avant et lors de la fécondation et d’autre part à établir un épigénome mâle spécifique nécessaire pour le développement embryonnaire précoce. La chromatine organisée en nucléosomes est alors totalement remaniée de manière à ce que les protamines remplacent les histones dans les spermatozoïdes. Cette réorganisation est initiée par une vague d’acétylation des histones à l’échelle du génome, suivie par un remplacement massif des histones par de petites protéines basiques, les protéines de transition et les protamines. Les mécanismes moléculaires responsables de cette réorganisation de la chromatine sont très mal connus. Mon travail de thèse vise à explorer ces mécanismes en utilisant une approche d’invalidation de gènes chez la souris correspondant à des acteurs épigénétiques exprimés spécifiquement en post-méiose : le facteur nucléaire Nut (Nuclear protein in Testis) et le variant de l’histone H2A, H2A.L.2. Nous avons démontré que la protéine Nut recrute l’acétyltransferase p300 et induit l’hyperacétylation de l’histone H4 précisément au niveau des résidus lysines en position 5 et 8. Cette acétylation est nécessaire à l’interaction avec le premier bromodomaine de Brdt initiant le processus de remplacement des histones par les protamines. Ainsi, le facteur Nut est l’élément majeur de la vague d’acétylation des histones. Nous avons également mis en évidence le rôle crucial de H2A.L.2 dans “ l’ouverture ” de la structure du nucléosome permettant ainsi son invasion par les protéines de transition. Ces protéines vont à leur tour générer une plateforme pour le recrutement et la maturation des protamines et induire la formation de structures transitoires avant l’étape de compaction finale du génome des spermatozoïdes matures. Ces études nous ont ainsi permis d’établir pour la première fois un modèle moléculaire cohérent permettant de comprendre la programmation épigénétique post-méiotique du génome mâle et son impact sur la fertilité masculine. / Spermatogenesis, the process of producing male gametes, represents a relevant physiological model for the study of chromatin dynamics. Indeed, a drastic reorganization of the genome is observed at the end of spermatogenesis, during post-meiotic stages of the development of the male germ cells. These reorganizations are intended both to compact the genome to protect it before and during fertilization and to establish a specific male epigenome necessary for early embryonic development. In spermatozoa, during these post-meiotic stages, chromatin is completely reorganized so that the protamines replace the histones. This reorganization is initiated by a wave of genome-wide histone acetylation, followed by massive replacement of histones by small basic proteins, transition proteins and protamines. The molecular mechanisms responsible for this reorganization of the genome remain very poorly known today. My thesis aims to explore these mechanisms by using gene inactivation in mouse of epigenetic actors specifically expressed in post-meiotic germ cells : the nuclear factor Nut (Nuclear protein in Testis) and the histone H2A variant, H2A.L.2. We have demonstrated that the Nut protein interacts and stimulates the p300 acetyltransferase activity and induces the hyperacetylation of histone H4 precisely on the lysine residues at 5 and 8 positions. This acetylation is necessary for the interaction with the first bromodomain of Brdt initiating the process of histone replacement by protamines. Thus, the Nut factor is the main element of the histone acetylation wave. We have also deciphered the crucial role of H2A.L.2 in the “opening ” of nucleosomal structures in post-meiotic germ cells thus allowing its invasion by the transition proteins. These transition proteins will in turn generate a platform for the recruitment and maturation of protamines and induce the formation of transient structures before the final compaction of the mature sperm genome. These studies allowed us to establish for the first time a coherent molecular model for understanding the post-meiotic epigenetic programming of the male genome and its impact on male fertility.

Adenovirus (Ad) is a widely studied DNA virus, but the nucleoprotein structure of the viral genome in the cell is poorly characterized. Our objective is to study Ad DNA-protein associations and how these affect the viral life cycle. Most of the viral DNA condensing protein, protein VII, is lost within a few hours of infection and this loss is independent of transcription. Cellular histones associate with the viral DNA after removal of protein VII, with a preferential deposition of H3.3. Micrococcal nuclease accessibility assays at 6 hpi showed laddering of the viral DNA, suggesting the genome is wrapped in physiologically spaced nucleosomes. Although viral DNA continues to associate with H3.3 at late times of infection, the overall level of association with histones is greatly reduced. Knockdown of the H3.3 chaperone HIRA had no effect on the viral life cycle suggesting that other H3.3 chaperones are involved. Our studies have begun to elucidate the nucleoprotein structure of Ad DNA in the infected cell nucleus.

Le variant d’histone CENP-A marque épigénétiquement le centromère. La présence de CENP-A au centromère permet le recrutement de protéines centromériques qui constituent la plateforme pour l’assemblage de kinétochores fonctionnels.Dans les cellules humaines, l'extrémité amino-terminale de CENP-A ainsi que la phosphorylation de la sérine 7, ont été signalées comme étant cruciales pour la progression de la mitose. Cependant, aucune phosphorylation de CENP-A dans d'autres espèces de métazoaires n'a été décrite. Ici, nous montrons que le domaine NH2-terminal CENP-A, mais pas sa séquence primaire, est nécessaire pour la mitose dans les fibroblastes embryonnaires de souris (MEFs). Nos données montrent que les défauts mitotiques résultant de la déplétion de CENP-A endogène peuvent être restaurés lorsque les MEFs expriment un mutant GFP-CENP-A dont l'extrémité NH2-terminal de CENP-A a été échangée par la queue phosphorylable de l'histone canonique H3. Inversement, dans ce même mutant, lorsque l’on remplace les deux serines phosphorylables par des résidus alanines, les défauts mitotiques persistent. En outre, le mutant de fusion non- phosphorylable de CENP-A, où les sept serines du domaine NH2-terminal ont été remplacées par des résidus alanines, a été également incapable de restaurer le phénotype mitotique des cellules déplétées en CENP-A endogène.Nous avons également identifié les trois premières sérines de la queue de CENP-A comme sites potentiels de phosphorylation. De plus, nos résultats montrent que l’absence de phosphorylation du domaine amino-terminal conduit à la délocalisation de la protéine centromérique CENP-C. Ces résultats suggèrent que la phosphorylation mitotique de CENP-A est un événement potentiellement fréquent chez les métazoaires et essentiel à la progression mitotique.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons voulu lier sans ambiguïté la fonction du domaine NH2-terminal du CENP-A à la mitose. Nous avons conçu une nouvelle méthode, appelée approche Hara-kiri, pour pouvoir éliminer le domaine NH2- terminal seulement pendant la mitose. Ceci afin de répondre à la question ci-dessus dans les cellules humaines. L'élimination du domaine NH2-terminal du CENP-A en utilisant l'approche Hara-kiri en début de mitose a conduit à une augmentation des défauts mitotiques dans les cellules. Prises collectivement, ces données montrent que le domaine NH2-terminal CENP-A est nécessaire pendant la mitose afin d’assurer le bon déroulement de la division cellulaire. / The histone variant CENP-A epigenetically marks the centromere. The presence of CENP-A at the centromeres allows the recruitment of centromeric proteins that constitute the platform for functional kinetochores.In human cells, the NH2-terminus of CENP-A and its phosphorylation at serine 7 in mitosis has been reported to be crucial for the progression of mitosis. However, no phosphorylation of CENP-A in other metazoan species has been described. Here, we show that the NH2-terminus of CENP-A, but not its primary sequence, is required for mitosis in mouse embryonic cells (MEFs). Our data show that the mitotic defects resulting from the depletion of the endogenous CENP-A can be rescued when MEFs expressing a GFP- CENP-A mutant where the NH2-terminus of CENP-A was swapped with the phosphorylatable tail of conventional histone H3. Conversely, no rescue was observed when the two phosphorylatable serines in the H3 tail mutant were replaced with alanines. Furthermore, a non-phosphorylatable fusion mutant of CENP-A where all seven serines in the amino-tail were replaced with alanines, was also unable to rescue the mitotic phenotype of CENP-A depleted cells.We also identified that the first three serines of the tail of CENP-A as potential sites for phosphorylation. Additionally, we were able to link the phosphorylation of CENP-A amino-tail to the proper localization of the key centromeric protein CENP-C. These results suggest that mitotic CENP-A phosphorylation is a potentially common event in metazoans essential for mitotic progression.In the second par of this work we wanted to unambiguously tie the NH2-terminus function of CENP-A to mitosis. To achieve this, we wanted to remove the CENP-A amino-tail only during mitosis and we devised a new method called the Hara-kiri approach in order to answer the above question in human cells. The removal of the NH2-terminal domain of CENP-A using the Hara-kiri approach at the onset of mitosis led to increased mitotic defects in cells. Taken collectively these data show that the CENP-A NH2- terminus is required during mitosis to assure proper cell division.

La variante d’histone H2AZ joue un rôle important dans l’activation de la transcription, la prolifération cellulaire, le développement et la différentiation. H2AZ orne les promoteurs de la majorité des gènes, mais les mécanismes de bases de cette localisation sont inconnus. La compréhension de l’assemblage et du désassemblage du nucléosome passe par la caractérisation de la dynamique du nucléosome et des chaperonnes d’histones. L’objectif de ma thèse était d’identifier des chaperonnes spécifiques impliqués dans la dynamique de H2AZ en utilisant une approche de protéomique. Pour élucider les mécanismes de déposition/éviction de H2AZ, j’ai purifié le complexe prénucléosomale de H2AZ et j’ai caractérisé toutes les protéines associées. J’ai trouvé que Anp32e fait partie du complexe p400/TIP60 qui est présumée pour être responsable de l’échange d’H2AZ sur la chromatine. Anp32e présente une spécificité pour le dimère H2AZ-H2B, car il n’interagit pas avec le dimère H2A-H2B. L’interaction est accomplie au niveau d’une petite région dans le domaine d’ancrage sur H2AZ et au niveau d’un nouveau domaine ZID sur Anp32e. Finalement, j’ai montré que la suppression d’Anp32e entraine : un défaut dans la dé-répression des gènes dont l’expression est contrôlée par une hormone et une accumulation sur les promoteurs de ces derniers. Dans l’ensemble ces résultats identifient Anp32e comme une nouvelle chaperonne de la variante d’histoneH2AZ impliquée dans l’éviction de H2AZ chez les mammifères. / The histone variant H2AZ has emerged as a key regulator of chromatin function and plays an essential role in transcriptional activation, cell proliferation, development, and differentiation. H2AZ marks nucleosomes flanking the promoters of most genes, but the mechanistic basis for this localization is unknown. A mechanistic understanding of nucleosome assembly/disassembly requiresa detailed knowledge of nucleosome thermodynamics and histone chaperones. The aim of my thesis was to identify specific chaperone involved in H2AZ dynamic by using biochemical and proteomic strategies. To elucidate the mechanism of H2AZ deposition/eviction, I purified the prenucelosomal H2AZ complex and characterized in details the interacting protein partners. I found that Anp32e is a member of the presumed H2A.Z histone-exchange complex p400/TIP60. Bacterially expressed Anp32e binds only to the H2AZ/H2B dimers but not to the H2A/H2B. Anp32e interacts with a short region of the docking domain of H2A.Z. The binding occurred through a novel Anp32e motif, termed ZID. Finally, I show that down regulation of Anp32e interferes with both the de-repression of hormone dependent genes and H2A.Z removal from their promoter. Our data identified Anp32e as a novel mammalian H2AZ chaperone invoved in H2AZ eviction.

Adenovirus (Ad) is a widely studied DNA virus, but the nucleoprotein structure of the viral genome in the cell is poorly characterized. Our objective is to study Ad DNA-protein associations and how these affect the viral life cycle. Most of the viral DNA condensing protein, protein VII, is lost within a few hours of infection and this loss is independent of transcription. Cellular histones associate with the viral DNA after removal of protein VII, with a preferential deposition of H3.3. Micrococcal nuclease accessibility assays at 6 hpi showed laddering of the viral DNA, suggesting the genome is wrapped in physiologically spaced nucleosomes. Although viral DNA continues to associate with H3.3 at late times of infection, the overall level of association with histones is greatly reduced. Knockdown of the H3.3 chaperone HIRA had no effect on the viral life cycle suggesting that other H3.3 chaperones are involved. Our studies have begun to elucidate the nucleoprotein structure of Ad DNA in the infected cell nucleus.

La ségrégation fidèle des chromosomes est dirigée par le centromère, un locus chromosomique spécialisé qui est requis pour l'assemblage des kinetochores actifs. Les centromères sont marqués épigénétiquement par la présence d'un nucléosome unique qui contient un variant centromérique de l'histone H3 appelé Centromere protein A (CENP-A). Une question fondamentale est comment CENP-A est spécifiquement déposé aux centromères. L'objectif de ma thèse a été d'identifier les facteurs spécifiques de la déposition de CENP-A. Pour identifier les facteurs spécifiques impliqués dans la déposition de CENP-A aux centromères, j'ai utilisé la méthode de purification TAP-TAG à partir d'une fraction nucléaire soluble de cellules HeLa exprimant stablement une copie ectopique de CENP-A (e-CENP-A). J'ai ainsi pu identifié la protéine Holliday Junction Recognition protein (HJURP). En utilisant un siRNA spécifique de HJURP, j'ai montré que la localisation et la déposition de CENP-A étaient fortement affectées. La protéine recombinante HJURP lie de manière stoechiométrique le tétramère CENP-A/H4 mais il ne lie pas le tétramère H3/H4. La liaison se fait grâce à un petit domaine conservé en position N-terminal de HJURP, dénommé CBD (CENP-A binding domain). De plus, j'ai pu mettre en évidence in vitro que HJURP facilitait la déposition du tétramère CENP-A/H4 sur de l'ADN satellite. L'ensemble de mes résultats démontre très clairement que HJURP est la principale chaperone responsable de la déposition de CENP-A aux centromères.

La nucléoline, une des protéines non-ribosomique les plus abondantes du nucléole, semble être impliquée dans de nombreux aspects du métabolisme de l'ADN en plus de son rôle dans la régulation de la transcription par l'ARN polymérase I, la maturation du pré-ARNr et l’assemblage des ribosomes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction de la nucléoline avec la chromatine, et de déchiffrer la fonction de la nucléoline dans la régulation de l’expression génique. Il a été rapporté que la nucléoline est nécessaire pour la transcription des gènes codant pour l'ADN ribosomal in vivo, mais le mécanisme par lequel la nucléoline module la transcription d’ARN polymérase I (Pol I) est inconnue. Dans cette thèse, je montre que l’inhibition de l’expression de la nucléoline par siRNAconduit dans les gènes de l’ADNr à une augmentation de la marque hétérochromatine et une diminution des marques caractéristiques de l’euchromatine. La nucléoline est associée à des gènes ADNr non méthylés et ChIP-seq montrent un fort enrichissement de la nucléoline dans le promoteur et la région codante de l'ADNr. La nucléoline est capable d'interférer avec la liaison de TTF-1 sur le terminateur T0 proches du promoteur inhibant ainsi le recrutement du sous-unité NoRC TIP5 et HDAC1 et la création d'un état répressif hétérochromatine. Cette invasion de macroH2A1 dans le nucléole joue un rôle majeur dans l'inhibition de la transcription par la RNA Polymérase I en l'absence de la nucléoline. Ces résultats révèlent l'importance de la nucléoline pour le maintien de l'état euchromatien de l'ADNr et le rôle de macroH2A1 dans la régulation de la transcription de l'ADNr. / Besides the well-known role of the nucleolus in ribosome biogenesis, nucleoli play important roles in the regulation of many fundamental cellular processes, including cell cycle regulation, apoptosis, telomerase production, RNA processing and therefore it is not surprising that many nucleolar proteins appear to be multifunctional proteins. Nucleolin, one of the most abundant non-ribosomal proteins of the nucleolus, has been the focus of many studies since it was first described 35 years ago. It seems to be involved in many aspects of DNA metabolism, chromatin regulation and appeared to be a good pharmacological target for drug development in addition to its role in RNA polymerase I transcription and pre-ribosomal processing and assembly in pre-ribosomes. In eukaryotic cells, DNA is packed into nucleosomes to form chromatin in the nucleus. The cells develop a variety of strategies to overcome the nucleosomal barriers. These strategies include DNA methylation, histone post-translational modifications, incorporation of histone variants and ATP dependent chromatin remodeling. The aim of this thesis is to study the interaction of nucleolin with chromatin, and to decipher the mechanism of nucleolin in gene regulation. It was reported that nucleolin possesses a histone chaperone activity, helps the transcription through nucleosomes, and it is required for ribosomal DNA gene (rDNA) transcription in vivo, but the mechanism by which nucleolin modulates RNA polymerase I (Pol I) transcription is unknown. In the thesis it is shown that nucleolin knockdown results in an increase of the heterochromatin mark H3K9me2 and a decrease of H4K12Ac and H3K4me3 euchromatin histone marks in rDNA genes. Nucleolin is associated with unmethylated rDNA genes and ChIP-seq experiments identified a strong enrichment of nucleolin in the promoter and coding regions of rDNA. Nucleolin is able to interfere with the binding of TTF-1 on the promoter-proximal terminator T0 thus inhibiting the recruitment of the nucleolar remodeling complex (NoRC) subunit TIP5 and HDAC1 and the establishment of a repressive heterochromatin state. In addition, in absence of nucleolin or after inhibition of Pol I by actinomycin D, a strong relocalization of the histone variant macroH2A1 to the nucleolus and on the rDNA genes was observed. This invasion of macroH2A1 in the nucleolus plays a major role in the inhibition of Pol I transcription in absence of nucleolin, as knockdown of macroH2A1 eliminates the repressive effect of nucleolin depletion. These results reveal the importance of nucleolin for the maintenance of the euchromatin state of rDNA required for an efficient production of ribosomal RNAs and the role of macroH2A1 in rDNA transcription.

La sénescence cellulaire est une réponse à un stress des cellules de mammifère caractérisée par un arrêt durable du cycle cellulaire. Celle-ci peut être déclenchée par un dysfonctionnement des télomères, des stress génotoxiques et l’activation d’oncogènes. La sénescence constitue une puissante ligne de défense contre le développement de cancers et intervient aussi dans le vieillissement. Les cellules en sénescence réorganisent leur génome par l’assemblage en hétérochromatine sous forme de SAHFs (senescence-associated heterochromatin foci). Nous avons mis en évidence que la désacétylation globale de H4-K16Ac par la désacétylase SIRT2 est impliquée dans l’assemblage de l’hétérochromatine en sénescence. De plus, nous avons identifié une accumulation de variants d’histones H2A et H2B spécifiquement dans des cellules en sénescence présentant des dommages persistants à l’ADN. Ces variants d’histone pourraient avoir des fonctions spécifiques dans ces cellules et pourraient représenter un biomarqueur du vieillissement in vivo.Mes travaux apportent des éléments pour la compréhension des rôles de l’information épigénétique dans la sénescence cellulaire. / Cellular senescence is a stress response of mammalian cells characterized by a stable cell proliferation arrest. It can be triggered by telomere dysfunction, genotoxic stress and oncogene activation. Cellular senescence acts as a natural barrier against cancer development and is involved in ageing. Senescent cells reorganize their genome by the assembly of chromatin into senescence-associated heterochromatin foci (SAHF). We showed that SIRT2-mediated global deacetylation of H4-K16Ac is involved in heterochromatin assembly in senescence. Moreover, we identified the accumulation with time of specific H2A and H2B variants in senescence triggered by persistent DNA damage signaling. These histone variants could have specific functions in senescent cells and could be a useful ageing biomarker in vivo.This work provides novel insights into chromatin modification and epigenetic regulation in cellular senescence.

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