Résumé<p>L’objectif de ce travail a été d’évaluer la toxicité du butyrate de sodium (NaBu), un inhibiteur des<p>histones désacétylases (HDACs), et ses mécanismes d’action sur les cellules de cancer du sein<p>humain, les cellules MCF-7 déficientes pour la caspase-3, et lignées dérivées :les cellules MCF-<p>7/caspase-3, et les cellules VCREMS résistantes à la vincristine, et dans une moindre mesure à la<p>doxorubicine. La contribution de l’apoptose dans la létalité induite par le NaBu a été recherchée<p>dans les cellules MCF-7wt en estimant l’exposition de la phosphatidylsérine ainsi que le clivage de<p>la PARP. La présence de caspase-3, n’a ni amplifié ni accéléré l’apoptose qui a impliqué le<p>rhéostat Bax/Bcl-2 en faveur d’une induction de Bax. La cytostasie du NaBu dans les cellules<p>MCF-7 s’est manifestée par un blocage des cellules en phase G2/M. L’évaluation du niveau<p>d’expression des régulateurs du cycle cellulaire dans les cellules MCF-7wt et MCF-7/caspase-3 a<p>montré une surexpression de p21, de façon indépendante de p53. L’action cytostatique du NaBu<p>a été associée à une accumulation légère et modeste des formes non-phosphorylées de pRB, un<p>facteur dont la phosphorylation par les complexes cycline D/cdk4,6 et cycline E/cdk2 est<p>nécessaire à la transition G1/S. Dans ces conditions, les niveaux de cdk2 et de Cdc25A, une<p>oncoprotéine activatrice de cdk2, sont restés stables. Le NaBu est une molécule à effet<p>pléïotropique, l’utilisation de la trichostatine A, inhibiteur par excellence des HDACs, a permis<p>d’établir la relation de causalité entre l’inhibition des HDACs et la toxicité du NaBu. La plupart<p>des inhibiteurs des HDACs induisent l’apoptose en perturbant le métabolisme oxydatif de la<p>mitochondrie ce qui pourrait modifier le statut redox cellulaire. Nous avons cherché une<p>implication du métabolisme du glutathion (GSH), le thiol anti-oxydant non-protéique majoritaire<p>de la cellule, dans la toxicité induite par le NaBu. Les résultats montrent que le NaBu induit une<p>déplétion du GSH dans les cellules MCF-7wt et dérivées de façon dose-dépendante, corrélée avec<p>la mortalité cellulaire. Devant l’éventualité d’une consommation accrue de GSH par les enzymes<p>associées à son métabolisme, nous avons évalué le niveau des activités des enzymes glutathion<p>peroxydase, glutathion réductase et glutathion S-transférases. Dans les cellules MCF-7, le NaBu a<p>induit de façon significative ces enzymes anti-oxydantes, à l’exception des GSTs, de même que la<p>catalase, une enzyme indépendante de ce système. Les expériences visant à libérer le pool de<p>GSH lié aux protéines ont montré que la déplétion du GSH intracellulaire est parallèle à celle du<p>GSH lié aux protéines. Par conséquent, la consommation du GSH est réellement la cause de la<p>chute du niveau de GSH générant un stress oxydant. La doxorubicine, un inhibiteur des<p>topoisomérases, a une utilisation clinique limitée en raison de ses effets secondaires irréversibles<p>(cardiotoxicité entre autres). Dans le but d’améliorer son efficacité, nous avons expérimenté des<p>combinaisons NaBu/doxorubicine sur les cellules VCREMS et MCF-7, étant donné la capacité<p>du NaBu à induire l’expression des topoisomérases et favoriser la conformation déployée de la<p>chromatine. L’utilisation de la technique isobologramme nous a permis de déterminer les index<p>de combinaison pour une application simultanée ou séquentielle des drogues. Les résultats<p>indiquent que le NaBu sensibilise les cellules VCREMS et MCF-7 à l’action de la doxorubicine.<p>Dans les cellules VCREMS, cet effet s’est produit en dépit de la stimulation des enzymes de<p>détoxication, GSTs et GPX. L’ensemble de ces résultats indique que l’utilisation du NaBu en<p>combinaison avec certains anticancéreux constitue une stratégie très intéressante en<p>cancérothérapie. / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La maintenance de la méthylation ADN sur les sites CG joue un rôle crucial dans le silencing des éléments transposables (TE) et l’expression correcte des gènes. Chez Arabidopsis thaliana, on observe, dans le mutant met1-3 déficient en méthylation CG, une apparition ectopique de méthylation CHG sur de nombreux gènes, ainsi qu’une relocalisation de la diméthylation de la lysine 9 de l’histone H3 (H3K9me2) de l’hétérochromatine vers l’euchromatine. Nous avons démontré que ceci est lié à un défaut de transcription au niveau du grand intron du gène codant la déméthylase H3K9me2 IBM1. Nous avons également constaté que dans les épihybrides F1 issus du croisement de plantes met1-3 avec une plante sauvage la méthylation CHG présente dans l’intron de l’allèle IBM1 hérité du parent mutant était perdue. Afin de définir si la perte de méthylation affecte également d’autres loci génomiques, et plus globalement à l’échelle du génome entier l’impact de la rencontre de deux épigénomes différents, nous avons analysé les profils de méthylation, de siRNAs et de transcription des épihybrides F1. Nos données révèlent que l’union de deux méthylomes distincts au sein d’un même génome provoque une restructuration considérable des profils épigénétiques et transcriptionnels. La méthylation CHG apparaissant sur de nombreux gènes dans met1 tend à persister, créant ainsi de nouveaux épiallèles pouvant être hérités. Du côté des TE, nombre d’entre eux sont déméthylés et réactivés, tandis que d’autres sont immédiatement reméthylés et resilencés. Ainsi, ces résultats contribuent à la compréhension de la stabilité de la méthylation ADN et de son rôle dans le contrôle différentiel des gènes et des TE. / Maintenance of DNA methylation at CG sites is crucial for silencing of transposable element (TE) and proper expression of genes. In Arabidopsis thaliana, met1-3 mutant, deficient in CG methylation, shows ectopic appearance of CHG methylation at numerous genes, as well as relocation of H3K9me2, from heterochromatin towards euchromatin. We have shown that this is due to a defect of the transcription of the large intron of the gene encoding the IBM1 H3K9me2 demethylase. We also found that, in the F1 epihybrids from the cross between met1 and WT plants, CHG methylation at the intron of the met1-derived IBM1 allele is lost. In order to define whether the loss of methylation at IBM1 also affects other genomic loci, and the impact of the union of two different epigenomes on methylation and transcription genome-wide, we analyzed the methylation, siRNA and transcription patterns of F1 epihybrids. Our data reveal that the union of two distinct methylomes within the same genome triggers considerable restructuring of epigenetic and transcriptional patterns. CHG methylation appearing in the mutant parent tends to persist in F1, creating new epialleles that can be inherited. On the TE side, lots of them are demethylated and reactivated while others are immediately remethylated and resilenced. Thus, our results provide new insights to the understanding of DNA methylation stability and its role in the differential control of genes and TEs.

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Eukaryotic DNA is incorporated into the nucleoprotein structure of chromatin. This structure is essential for the proper storage, maintenance, regulation, and function of the genomes’ constituent genes and genomic sequences. Importantly, cells generate discrete types of chromatin that impart distinct properties on genomic loci; euchromatin is an open and active compartment of the genome, and heterochromatin is a restricted and inactive compartment. Heterochromatin serves many purposes in vivo, from heritably silencing key gene loci during embryonic development, to preventing aberrant DNA repeat recombination. Despite this generally repressive role, the DNA contained within heterochromatin must still be repaired and replicated, creating a need for regulated dynamic access into silent heterochromatin. In this work, we discover and characterize activities that the ATP-dependent chromatin remodeling enzyme SWI/SNF uses to disrupt repressive heterochromatin structure. First, we find two specific physical interactions between the SWI/SNF core subunit Swi2p and the heterochromatin structural protein Sir3p. We find that disrupting these physical interactions results in a SWI/SNF complex that can hydrolyze ATP and slide nucleosomes like normal, but is defective in its ability to evict Sir3p off of heterochromatin. In vivo, we find that this Sir3p eviction activity is required for proper DNA replication, and for establishment of silent chromatin, but not for SWI/SNF’s traditional roles in transcription. These data establish new roles for ATP-dependent chromatin remodeling in regulating heterochromatin. Second, we discover that SWI/SNF can disrupt heterochromatin structures that contain all three Sir proteins: Sir2p, Sir3p and Sir4p. This new disruption activity requires nucleosomal contacts that are essential for silent chromatin formation in vivo. We find that SWI/SNF evicts all three heterochromatin proteins off of chromatin. Surprisingly, we also find that the presence of Sir2p and Sir4p on chromatin stimulates SWI/SNF to evict histone proteins H2A and H2B from nucleosomes. Apart from discovering a new potential mechanism of heterochromatin dynamics, these data also establish a new paradigm of chromatin remodeling enzyme regulation by nonhistone proteins present on the substrate.

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Eukaryotische DNA ist in Chromatin verpackt, einem Komplex aus DNA und Proteinen. Das ermöglicht Transkriptionsregulation von Genen durch Modulation ihrer Zugänglichkeit. Histone sind evolutionär konservierte Chromatinproteine, die durch posttranslationale Modifikationen (PTMs) modifiziert sind. Das legt nahe, dass deren Primärstruktur und ihre PTMs funktionellen Beschränkungen unterliegen. Genetische Ansätze zur Entschlüsselung von Struktur-Funktions-Beziehungen für Histone waren auf Einzeller und D. melanogaster beschränkt. Das Histon-Ersatz-System in D. melanogaster, bei dem Histontransgene verwendet werden, um endogene Histone zu ersetzen, war nicht für systematische Untersuchung dieser Beziehungen ausgelegt. In meiner Arbeit habe ich die Funktion von Threonin 11 in Histon H3 (H3T11) untersucht, das phosphoryliert werden kann. Ich analysierte zwei Mutationen in H3T11 (H3T11A und H3T11E) und stellte fest, dass beide zur Derepression von Transposons führen. H3T11E hat in Gegenwart von Wildtyp-Histon H3 einen dominanten Phänotyp mit transkriptomweiten Folgen. Dazu gehören Induktion von Immun-Genen und Unterdrückung von mit DNA-Stoffwechsel in Verbindung stehenden Genen. Die Mutationen wurden unter der Prämisse charakterisiert, ein Analyse-Schema für eine große Anzahl von Histon-Ersatz-Stämmen zu entwickeln und Probleme zu identifizieren, die die Analyse beeinträchtigen. Dabei habe ich das Verfahren zur Erzeugung von Histon-Ersatz-Stämmen optimiert. Dazu gehören die optionale Verwendung größerer Histon-Transgene und zuverlässigere Produktion und optimierte Rekombinations-Strategie dieser. Ich habe das Klonierungsverfahren gestrafft und eine Plasmid-Bibliothek erstellt, die es erlaubt, 178 verschiedene mutierte Histon-H3-Transgene zu erzeugen. Mit den Änderungen am Produktionsschema, ist diese Bibliothek eine wertvolle Ressource und wird dazu beitragen, die Funktion von Histon H3 und seiner PTMs während der Entwicklung eines Vielzellers besser zu verstehen. / Eukaryotic DNA is packaged into chromatin, a complex composed of DNA and proteins. This enables transcriptional regulation of genes through modulation of their accessibility. Histones are chromatin proteins, modified by post-translational modifications (PTMs) and their sequences are conserved in evolution. This suggests functional constraints for the primary structure of histones and their PTMs. Genetic approaches to decipher structure-function relationships for histone proteins were restricted to unicellular organisms and D. melanogaster. The histone replacement system in D. melanogaster, which uses histone transgenes to replace endogenous histones, was not adapted for systematic interrogation of such relationships. Here, I investigated the function of threonine 11 in histone H3 (H3T11), which can be phosphorylated. I analyzed two mutations in H3T11 (H3T11A and H3T11E) and found that both lead to de-repression of transposable elements. I also found that H3T11E, has a dominant phenotype in the presence of wildtype histone H3 with transcriptome-wide consequences. These include induction of immune-related genes and repression of genes associated with DNA metabolism. I characterized both mutations under the premise of establishing an analysis scheme suitable for a large set of histone replacement strains and identifying problems that interfere with this analysis. As a consequence, I optimized the procedure to generate histone replacement strains. These include an option to incorporate larger histone transgenes, a more reliable production of transgenes and an optimized strategy to recombine them. I streamlined the cloning procedure and created a plasmid library allowing for the generation of 178 distinct mutant histone H3 transgenes. Together with my amendments to the production scheme, this library provides a valuable resource to the field and will help to better understand the function of histone H3 and its PTMs during the development of a multicellular organism.

L'expression des facteurs de transcription C/EBPs est induite dans les cellules épithéliales intestinales lorsque celles-ci sont stimulées avec certaines cytokines. Cette famille de facteurs de transcription joue un rôle très important dans l'élaboration de la phase aiguë de la réponse inflammatoire (APR) dans plusieurs tissus en régularisant l'expression de certains gènes de réponse inflammatoire. Nous avons déjà démontré que différents domaines de l'isoforme C/EBP[minuscule delta] sont impliqués dans le contrôle de son activité transcriptionnelle, mais très peu de choses sont connues sur la régulation négative de C/EBP[minuscule delta]. L'objectif de notre recherche était de déterminer le rôle des histones désacétylases dans la régulation négative de C/EBP[minuscule delta]. Nous avons observé par essai d'interactions in vitro et in vivo, que deux histones désacétylases, HDAC1 et HDAC3, interagissent avec les domaines N et C-terminaux de C/EBP[minuscule delta]. L'intégrité du bZIP (région basique et leucine zipper) est nécessaire pour la liaison de HDAC1 et HDAC3 au domaine C-terminal de C/EBP[minuscule delta]. Les acides aminés 70 à 85 de C/EBP[minuscule delta] sont importants pour la liaison à HDAC1, ainsi que les acides aminés 50 à 60. Il y a un site de liaison de HDAC3 entre les acides aminés 60 à 70 de C/EBP[minuscule delta] et un autre entre les acides aminés 108 à 164. Nos résultats suggèrent que la liaison de HDAC1 à C/EBP[minuscule delta] est indirecte et pourrait être en partie médiée par la protéine mSin3A puisque ce co-répresseur lie le domaine C-terminal de C/EBP[minuscule delta]. Par ailleurs, nous avons également montré qu'une histone désacétylase de classe II, soit HDAC4, pouvait également interagir avec C/EBP[minuscule delta] par ces deux domaines. Nos observations suggèrent que l'interaction des histones désacétylases avec C/EBP[minuscule delta] pourrait impliquer d'autres protéines que celles jusqu'à maintenant identifiées. Nous montrons également par transfections transitoires et essai luciférase que HDAC1 et HDAC3 modulent négativement l'activité transcriptionnelle de C/EBP[minuscule delta] sur le promoteur de l'haptoglobine. Ces deux histones désacétylases de classe I pourraient donc jouer un rôle prépondérant dans la régulation négative de l'activité transcriptionnelle de C/EBP[minuscule delta] sur le promoteur de gènes cibles.

Epigenetic regulation is a complex process involving the interplay of multiple different cellular factors. Work described in this thesis concerned the characterisation of proteins involved in the binding to, and demethylation of, histone 3 (H3) tails modified by N-methylation. Initial work focussed on the biophysical characterisation of the tandem plant homeodomains (PHD) of the chromatin remodeller CHD4. NMR spectroscopy was used to investigate the solution structure of the tandem PHDs. Studies on a more native-like construct including the C terminal tandem chromodomains are also presented. Binding studies of the PHDs with H3 peptides reveal that the individual PHD fingers can independently bind a histone peptide. The remainder of the work involved characterisation of JmjC histone demethylases (KDMs), enzymes that catalyse removal of Nε-methyl groups from histone lysyl-residues. Initially, two members of the KDM7 subfamily, PHF8 and KIAA1718, were studied; a high throughput screening assay for them was developed, which enabled identification of a selective inhibitor of the KDM2/7 subfamilies of KDMs, the plant growth regulator Daminozide. A disease relevant mutation in PHF8 was studied and shown to cause mis-localisation of the enzyme to the cytoplasm, providing a potential explanation for the clinically observed phenotype. Subsequent chapters describe unprecedented activities for the JmjC KDMs. 2OG oxygenases catalyse a wide range of oxidative reactions, predominantly mediated by initial substrate hydroxylation. The activity of PHF8 with lysine analogous was tested; the results demonstrated that PHF8, and other KDMs, can oxidatively remove Nε-alkyl groups other than methyl groups, such as ethyl and isopropyl groups. The substrate scope of the JmjC KDMs thus has the potential to be wider than previously thought. Observation of β-hydroxylation of the Nε-isopropyl group of a histone peptide including Nε methylisopropyllysine by JMJD2A/E supports the presumed mechanism of histone lysine demethylation as proceeding via initial hydroxylation. This work led to the discovery that JmjC KDMs can catalyse arginine demethylation. This novel arginine demethylase activity by JmjC KDMs was characterised and the work extended to encompass potential arginine demethylase activity in cells. Biochemical characterisation of UTY, a homologue of the H3 K27 demethylases JMJD3 and UTX, which is reported to be inactive, was carried out; UTY was shown to catalyse demethylation at H3 trimethylated at K27 on peptidic substrates, albeit it at substantially lower rates than the other family members. To investigate the reason for this reduced activity, two variants were made, S1142G and P1214I; the latter variant was shown to be considerably more active than wildtype UTY, likely due to an increased peptide-binding interaction. Preliminary experiments in cells did not conclusively demonstrate histone demethylation, but a luciferase assay suggested that UTY may have catalytic activity in cells. Overall the findings in the thesis suggest that the process of cellular epigenetic regulation is likely even more complex than previously thought, with the potential that JmjC KDMs carry out multiple, context dependent functions.

DNA methylation refers to an addition of a methyl group to the 5 position of the cytosine pyrimidine ring. As the best characterized epigenetic mark, DNA methylation plays an important role in a plethora of biological functions, including gene repression, genomic imprinting, silencing of retro-transposons and X chromosome inactivation. Genomic imprinting refers to the mono-allelic expression of certain genes according to their parent-of-origin. In mammals, the expression of imprinted genes is controlled by the cis-acting regulatory elements, termed imprinted control regions (ICRs). ICRs are marked by parent-of-origin-specific DNA methylation and loss of DNA methylation at ICRs also causes aberrant expression of imprinted genes. Therefore it is believed that the genomic imprinting is a DNA methylation-associated epigenetic phenomenon. As accurate expression of imprinted genes is essential for normal embryonic growth, energy homeostasis, development of the brain and behaviour and abnormal expression of imprinted genes leads to numerous clinical phenotype and human disorders, it is important to investigate how the imprinted DNA methylation is stably maintained in mammals. DNA methyltransferases (DNMTs) are the main enzymes that play a in the establishment and maintenance of imprinted DNA methylation. In primordial germ cells (PGCs), DNMT3A and DNMT3L are involved in the establishment of imprinted DNA methylation. Whereas once established, the imprinted DNA methylation is maintained by DNMT1, DNMT3A and DNMT3B, but mainly by DNMT1. In addition, some other enzymes and DNA binding proteins also play a role in this process. One of the best examples is ZFP57, which forms a complex with KAP1 and SETDB1. ZFP57 maintains imprinted DNA methylation by recognizing a methylated hexa-nucleotide and recruits DNMTs to the ICRs in mammalian embryonic stem (ES) cells. Interestingly, DNA methylation analysis combined with promoter microarrays carried out in our lab suggested that imprinted DNA methylation is absent from some of the maternal ICRs in ES cells genetically null for G9a, a histone H3 lysine 9 methylase. This indicates that G9a might also play a role in the maintenance of imprinted DNA methylation. In my work, I found that the repressive H3K9me2 and imprinted DNA methylation are absent from several analysed ICRs in embryonic stem (ES) cells genetically null for either G9a or its partner histone methyltransferase GLP. A knockdown of G9a in ES cells reproduced these observations suggesting that G9a/GLP complex is required for the maintenance of imprinted DNA methylation. I also found that neither wild type nor catalytically inactive G9a can restore the loss of imprinted DNA methylation in G9a-/- ES cells. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) combined with bisulfite DNA sequencing showed that imprinted DNA methylation was present on the H3K9me2-marked allele indicating a direct role for G9a in maintenance of genomic imprinting. Using a pharmacological inhibitor of G9a and mutagenesis analyses, I found that G9a maintains the imprinted DNA methylation independently of its catalytic activity and recruits DNMTs to the ICRs via its ankyrin repeat domain. Dimerization of G9a with GLP is also essential for the maintenance of genomic imprinting in ES cells. In summary, in addition to establish H3K9me2, histone methyltransferases G9a and GLP also play an essential role in the maintenance of genomic methylation imprints in ES cells.

Linker histone H1 plays a key role in facilitating folding of higher order chromatin structure. Previous studies have shown that deletion of three somatic H1 subtypes together leads to embryonic lethality and that H1c/H1d/H1e triple knockout (TKO) embryonic stem cells (ESCs) display bulk chromatin decompaction. Following this initial work, we investigated the role of H1 and chromatin compaction in stem cell pluripotency and differentiation, as well as the regulation of Hox genes expression. We find that H1 TKO ESCs are more resistant to spontaneous differentiation, impaired in embryoid body differentiation, and largely blocked in neural differentiation. We present evidence that H1 contributes to efficient repression of the expression of pluripotency factors, Oct4 and Nanog, and participates in establishment and maintenance of DNA methylation and histone modification necessary for silencing pluripotency genes during stem cell differentiation and embryogenesis. In addition, we find reduced expression of a distinct set of Hox genes in embryos and ESCs, respectively. Furthermore, by characterizing H1c−/−; H1d−/−; and H1e−/− single-H1 null ESCs established in this study, we showed that individual H1 subtypes regulated specific Hox genes in ESCs. Finally, we demonstrate that the levels of H3K4me3 were significantly diminished at the affected Hox genes in H1 TKO- and single-H1 KO- ESCs, whereas H3K27me3 occupancy is modestly increased at specific Hox genes. Our results suggest that marked reduction of H1 levels and decondensation of bulk chromatin affect the expression of pluripotency genes and Hox genes in embryos and ESCs, which may be in part mediated through establishment and maintenance of epigenetic marks.