L'identité et la réactivité cellulaires sont établies, maintenues et modulées grâce à l'orchestration de programmes transcriptionnels spécifiques. Les éléments régulateurs, des régions particulières de la chromatine responsables de l'activation ou de la répression des gènes, sont au coeur de cette opération. Ces dernières années, de nombreuses études ont révélé le rôle central des « enhancers » dans ce processus. En effet, des centaines de milliers « enhancers » seraient éparpillés dans le génome humain, majoritairement dans sa portion non-codante, et contrairement au promoteur, leur activation varierait selon le type ou l'état cellulaire ou en réponse à une stimulation physiologique, pathologique ou environnementale. Les « enhancers » sont, en quelque sorte, des carrefours où transitent une multitude de protéines régulées par les signaux intra- et extra-cellulaires et un dialogue s'établit entre ces diverses protéines et la chromatine. L'identification des « enhancers ainsi qu'une compréhension de leur mode de fonctionnement sont donc cruciales, tant au plan fondamental que clinique. La chromatine joue un rôle indéniable dans l'activité des éléments régulateurs, tant par sa composition que par sa structure, en régulant, entre autres, l'accessibilité de l'ADN. En effet, l'ADN des régions régulatrices est bien souvent masqué par un nucléosome occlusif, lequel doit être déplacé ou évincé afin de permettre la liaison des protéines régulatrices, notamment les facteurs de transcription (FTs). Toutefois, la contribution de la composition de la chromatine à ce processus reste incomprise. Le variant d'histone H2A.Z a été identifié comme une composante de la chromatine aux régions accessibles, dont des « enhancers » potentiels. Toutefois son rôle y est inconnu, bien que des études récentes suggèrent qu'il pourrait jouer un rôle important dans la structure de la chromatine à ces régions. Par ailleurs, un lien étroit existe entre H2A.Z et la voie de signalisation des oestrogènes (notamment la 17-[beta]-estradiol (E2)). Ainsi, H2A.Z est essentiel à l'expression de plusieurs gènes cibles de l'E2. Les effets de l'E2 sont en partie exercés par un FT, le récepteur alpha des oestrogènes (ER[alpha]), lequel se lie à l'ADN suite à son activation, et ce majoritairement à des « enhancers », et permet l'établissement d'un programme transcriptionnel spécifique. Cette thèse vise à définir le rôle d'H2A.Z aux « enhancers », et plus particulièrement son influence sur l'organisation des nucléosomes aux « enhancers » liés par ER[alpha]. D'abord, mes travaux effectués à l'échelle du génome ont démontré qu'H2A.Z n'est présent qu'à certains ER[alpha]-« enhancers » actifs. Cette particularité a fait en sorte que nous avons pu comparer directement les « enhancers » actifs occupés par H2A.Z à ceux non-occupés, afin de mettre en évidence sa relation à l'environnement chromatinien. Étonnamment, il est apparu qu'H2A.Z n'introduit pas une organisation unique ou particulière des nucléosomes aux « enhancers ». Par ailleurs, nos résultats montrent qu'H2A.Z joue un rôle crucial dans la régulation de l'activité des « enhancers ». En effet, nous avons observé que suite à leur activation par l'E2, les « enhancers » occupés par H2A.Z recrutent l'ARN polymérase II (ARNPII) et produisent un transcrit. Ils recrutent également RAD21, une composante du complexe cohésine impliqué, entre autres, dans des interactions chromosomiques entre « enhancers » et promoteurs. De façon intéressante, nous avons mis en évidence que ces trois évènements, connus pour leur importance dans l'activité des « enhancers », sont dépendants d'H2A.Z. Ainsi, la présence d'H2A.Z à l' « enhancer » pourrait permettre un environnement chromatinien favorable à trois aspects clés de l'activité des « enhancers » : la présence de l'ARNPII, la transcription et la formation d'une boucle d'interaction, et par la suite, de par la proximité « enhancer »-promoteur ainsi créée, augmenter la concentration d'ARNPII à proximité du promoteur favorisant l'expression du gène cible. Un tel rôle central d'H2A.Z dans l'activité d' « enhancers » spécifiques pourrait participer à un mécanisme épigénétique ciblé de la régulation de l'expression des gènes.

Ces dernières années ont vu se multiplier les études portant sur le positionnment du nucléosome. Ce phénomène est en effet essentiel pour comprendre correctement les processus liés à l'expression génique. Ces travaux soulignent notamment la multiplicité des facteurs qui interviennent dans le positionnement en vivo, toutefois le rôle de la séquence d'ADN elle même est bien reconnu que ce soit sous formes de séquences préférées ou "excluantes". Afin d'identifier les propriétés structurales et dynamiques des séquences qui possèdent une forte capacité à positionner le nucléosome, nous avons procédé à une série d'études structurales sur les oligomères d'ADN libres correspondant à la séquence de l'une des plus connues d'entre elles, la séquence 601. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à une séquence de 39 paires de bases correspondant à la moitié d'un tour complet autour du cœur d'histone. L'utilisation des méthodes de RMN permet de déterminer les propriétés d'oligomères en solution. Néanmoins la difficulté d'attribuer les résonances phosphore sur des séquences oligonucléotides longues nous a conduit à diviser la séquence d'intérêt en quatre parties égales (12bp) sur lesquelles les attribution penvent être réalisées. L'analyse des 72 déplacements chimiques du phosphore (&#948-P) et des 249 distances séquentielles inter-protons recueillies sur les oligomères montre que les mouvements de l'ADN à l'échelle de temps de la nanosecondes, des groupements phosphates, des sucres et des bases sont fortement couplés et directement reliés à la séquence dinucléotidique. Les données expérimentales recueillies dans ce travail sont en accord avec les prédictions de l'échelle TRX (Twist,Roll,X-disp) qui quantifie les mouvement à l'échelle de la nanoseconde de l'ADN-B. L'annotation de l'échelle TRX de la séquence 601 montre une alternance périodique de régions rigides et flexibles le long de la séquence, cette périodicité est de 10 pairs de bases. De façon frappante, cette alternance se superpose aux variations sinusoïdales des largeurs des petits sillons observées sur les structures cristallographiques des nucléosomes. L'élément TTAAA, a fait l'objet d'une attention particulière dans ce travail. Il est soupçonné d'être crucial dans le contexte de la formation des nucléosomes, cette séquence présente en effet quelques particularités remarquables, tels que la présence de plusieurs enchaînements dinucléotidiques riche en BI (dP décalé vers les hauts champs et distances inter-nucléotidiques courtes)- ceux-ci se trouvent associés à un petit sillon très étroit. Les résultats relatifs aux couplages dipolaires résiduels (RDC), qui reflètent l'angle de déviation entre le vecteur carbone-proton et l'axe l'ADN ont montré que les différences entre les couplages dipolaires résiduels de deux résidus successifs &#916-(RDC), sont également corrélées aux &#948-P. Ce résultat confirme définitivement que la structure et la dynamique des groupes phosphates, les positions relatives des bases et les conformations sucres de l'ADN-B sont fortement couplés. En outre, nos résultats permettent de commencer à déchiffrer le processus influençant la formation des nucléosomes, ils montrent que l'échelle TRX est un outil puissant de prédiction des conformations et la dynamique des ADN. / Nowadays, nucleosome positioning is being studied intensively due to the critical role in the regulation and transcription by modulating the accessibility of specific targeted sites for proteins in eukaryotic cell. As demonstrated by recent studies that positioning in vivo could be modulated by various factors, among which the role of DNA sequence is repeatedly underlined due to the form of preferred or excluding sequences. In an attempt to identify the structural and dynamic properties of sequences exhibiting strong ability to precisely position the nucleosome, we carried out a series of structural studies on free DNA oligomers corresponding to the core of this sequence. The synthetic 601 sequence was selected as a proper candidate for the experiment and the oligomers cover 39bp of the 5’ half of the sequence. The utilization of NMR technology allows the observation of the oligomer properties in solution. However, it’s difficult to assign phosphorus resonances signals to long DNA oligonucleotides, which could be realized to divide the sequence of interested part into four equivalents (12 bp). Analysis of a large set of NMR data on the four oligomers (72 dP (phosphorus chemical shift) and 249 sequential inter-proton distances) indicate the strong coupling between nanoseconde timescale motions of phosphate group and those involving sugar and bases. In the four dodecamers, the nanosecond timescale dynamics is dominated by the dinucleotide sequence, modulated at the tetranucleotide level. Importantly, the experimental data collected here validate our previously published NMR-based TRX scale that quantifies the nanosecond timescale intrinsic malleability of the ten complementary dinucleotides in B-DNA. The TRX annotation of the whole 601 sequence shows a 10 base-pair periodic alternation of stiff and flexible regions that can be exactly superimposed to the sinusoidal variations of minor groove width observed on the crystallographic structures of nucleosome. The TTAAA element was the subject of particular attention in this work. It is suspected to be crucial in the nucleosome formation context, exhibiting remarkable features, such as the constitution of a succession of BI-profiles (high-shifted dP and short internucleotide distances) associated to a narrow minor groove. Furthermore, the results related to the residual dipolar couplings (RDC), which reflect the deflection angle between carbon-proton vectors and the long axis of DNA have shown that the differences between the residual dipolar couplings of two successive residues, &#916-(RDC), are also correlated with &#61540-P. This result definitively confirms that the structure and the dynamic of phosphate group, bases and sugars in B-DNA are highly coupled. In addition, our results start to decipher the indirect readout process underlying the nucleosome formation. Further, they establish that the TRX scale is a powerful, predictive tool for better understanding DNA-protein interactions, based on flexibility criteria. It represents a new step towards a simplified determination of properties of DNA by NMR.

LFY est un facteur de transcription clé dans le développement des plantes, et en particulier dans la floraison des angiospermes. Il a un rôle important, d'abord, dans l'établissement des méristèmes floraux et plus tard, dans la spécification de leurs identités d'organes floraux. Cette activité implique des réarrangements majeurs de la chromatine dans le noyau des cellules. Des loci cibles doivent passer d'un état fermé à un état ouvert. Au cours des deux dernières décennies, les Facteurs de Transcription Pionniers (PTF) ont été étudiés car ils peuvent lier leurs sites cibles à l'ADN nucléosomique, ils peuvent surmonter les contraintes stériques des nucléosomes et établir un état «compétent» dans une région particulière pour qu’il puisse être davantage régulé par d'autres partenaires (Iwafuchi-Doi & Zaret, 2014). Il a été démontré que LFY interagit physiquement et génétiquement avec deux ATPases appartenant à des complexes de remodelage de la chromatine ATP-dépendants, SYD et BRM (Wu et al., 2012). En outre, des analyses de données à l'échelle du génome suggèrent fortement que son domaine d'oligomérisation N-terminal, confère à LFY un accès à des régions fermées de la chromatine (Sayou et al., 2016). De cette manière, LFY présente des caractéristiques communes avec les PTF. Nous avons travaillé afin de mieux comprendre le mode d'action de LFY par rapport aux ATPases mentionnées ainsi qu'à la chromatine.Au chapitre I, à travers des expériences in vitro, l'interaction potentielle de LFY avec les nucléosomes a été évaluée. Nous avons reconstitué des nucléosomes, en identifiant des régions enrichies en nucléosomes dans le génome d'Arabidopsis, ciblées efficacement par LFY. Ces régions ont été sélectionnées à partir des données génomiques de ChIP-seq de LFY dans les lignes de surexpression ainsi que des données de DNAse-seq et de MNase-seq, qui ont été utiles pour analyser le paysage chromatinien (T. Zhang, Zhang, & Jiang, 2015; W. Zhang, Zhang, Wu, & Jiang, 2012). Une liaison forte mais non-spécifique de LFY de la gymnosperme Ginkgo biloba aux nucléosomes a été observée. Cependant, LFY d'Arabidopsis thaliana a montré une faible liaison aux nucléosomes.Au chapitre II, l'objectif était de cartographier les domaines d'interaction minimale nécessaires de LFY et les ATPases SYD et BRM. En utilisant la technique HTRF, nous avons montré que le domaine C-terminal de LFY interagit avec le domaine HSA de BRM. De plus, grâce à une approche in vivo, nous avons observé la perte du phénotype 35S:LFY dans les plantes F1 de chacun des trois croisements: 35S:LFY syd-5, 35S:LFY brm-1 et 35S:LFY brm-3. Cela suggère une interaction forte, ce qui signifie que lorsque BRM ou SYD ne sont pas fonctionnels, la fonction de LFY est affectée et aucune fleur ectopique n'est formée. / LFY is a key transcription factor in plant development, and especially in flowering for angiosperms. It has an important role, first, in the establishment of floral meristems and later, in the specification of their floral organ identities. This activity implicates on cells’ nucleus major chromatin rearrangements. Target loci need to pass from a closed to an opened state. In the last two decades, Pioneer Transcription Factors (PTFs) have been studied because they can bind their target sites at nucleosomal DNA, they are able to overcome the steric constraints of nucleosomes and establish a “competent state” in a particular region, so it can be further regulated by other partners (Iwafuchi-Doi & Zaret, 2014). LFY has been demonstrated to physically and genetically interact with two ATPases belonging to ATP-dependent chromatin remodeling complexes, SYD and BRM (Wu et al., 2012). Besides, genome-wide data analyses strongly suggest that its N-terminal oligomerization domain, confers LFY access to closed regions of chromatin (Sayou et al., 2016). In this way, LFY presents common features with PTFs. We worked in order to better understand LFY’s mode of action in relation to the mentioned ATPases as well as with chromatin.In Chapter I, through in vitro experiments, LFY’s potential interaction with nucleosomes, was assessed. We performed reconstituted nucleosomes by identifying nucleosome-enriched regions in Arabidopsis genome, efficiently targeted by LFY. These regions were selected used genome-wide data from ChIP-seq of LFY in overexpressing lines and DNAse-seq as well as MNase-seq data, which was useful to analyze chromatin landscape (T. Zhang, Zhang, & Jiang, 2015; W. Zhang, Zhang, Wu, & Jiang, 2012). A strong but non-specific binding of LFY from the gymnosperm Ginkgo biloba to nucleosomes was observed. However, LFY from Arabidopsis thaliana, showed a weak binding to nucleosomes.In Chapter II, the aim was to map the minimal necessary interacting domains of LFY and the ATPases SYD and BRM. Using the HTRF technique, LFY’s C-terminal domain was shown to interact with BRM’s HSA domain. In addition, through an in vivo approach, we observed the loss of the 35S:LFY phenotype in the F1 plants from each of the three crosses: 35S:LFY syd-5, 35S:LFY brm-1 and 35S:LFY brm-3. This suggested a strong interaction, meaning that when BRM or SYD are not functional, LFY’s function is affected and no ectopic flowers are formed.

Le remodelage de la chromatine et la modification des histones jouent des rôles très importants dans l’établissement et la reprogrammation de l’état de l’expression génique. Il reste largement inconnu concernant les mécanismes de la régulation de ces processus chromatiniens dans le contrôle de l’expression génique impliquée dans le développement de la plante et son adaptation à l’environnement. Mon sujet de thèse se focalise sur l’analyse fonctionnelle d’un facteur de remodelage de la chromatine de type Chromodomain/Hélicase/DNA-binding 1 (CHD1) d’Arabidopsis, appelé CHR5 et une histone démethylase qui est spécifiquement impliquée dans la démethylation de l’histone H3 lysine 4 (H3K4), appelée JMJ15. Dans la première partie de cette étude, nous avons montré que le gène CHR5 est activé au cours de l’embryogénèse et que son expression se maintient élevé dans les tissues/organes en développement. L’analyse de mutants révèle que la perte de fonction de ce gène fait réprimer l’expression de gènes régulateurs de la maturation de l’embryon tels que LEC1, ABI3 et FUS3 pendant le développement des graines, et fait baisser l’accumulation des protéines de réserve. L’analyse de double mutants a permis de démontrer une fonction antagoniste entre CHR5 et PKL, une protéine du groupe « CHD3 », dans l’activité du promoteur de gènes régulateurs du développement de l’embryon et l’accumulation de réserve de graine. Nous avons montré que la protéine CHR5 s’associe directement avec les promoteurs d’ABI3 et FUS3 et que la mutation du gène CHR5 conduit à l’augmentation de présence de nucléosome dans la région du départ de transcription. Ces résultats suggèrent que CHR5 est impliquée dans le positionnement de nucléosome pour stimuler l’expression de gènes de la maturation de l’embryon, ce qui est contrebalancé par l’action de PKL au cours du développement de l’embryon. La deuxième partie de cette étude a permis de montrer que l’expression du gène de l’histone démethylase JMJ15 manifeste une forte spécificité tissulaire. L’analyse de mutants du gène a permis de l’identification de 2 allèles de gain de fonction (avec surexpression du gène), et un allèle de perte de fonction. La surexpression du gène réduit la croissance d’hypocotyle et de tige de la plante avec accumulation de lignine dans la tige, mais le perte de fonction du gène ne produise pas de phénotype apparent. Par ailleurs, la surexpression du gène renforce la tolérance de la plante au stress salin, alors la perte de fonction du gène rend la plante plus sensible. L’analyse du transcriptome a révélé beaucoup plus de gènes réprimés qu’activés par la surexpression du gène JMJ15. Ces gènes réprimés sont préférentiellement marqué la H3K4me2 ou H3K4me3, parmi lesquels beaucoup codent de facteurs de transcription. Ces données suggèrent que l’induction de JMJ15 pourrait réguler le programme de l’expression génique qui coordonne la restriction de la croissance de la plante et la tolérance au stress. Ces travaux de thèse a permis ‘identifier quelques nouveaux éléments dans la compréhension de la fonction de régulateurs chromatiniens dans l’expression génique de la plante. / Chromatin remodeling and histone modification play important roles in the establishment and dynamic regulation of gene expression states. However, little is known regarding to the regulatory mechanism of chromatin modification and remodeling that control gene expression involved in plant development and responses to environmental cues. My thesis work concerns functional analysis of an Arabidopsis Chromodomain/Helicase/DNA-binding 1 (CHD1) type chromatin remodeling gene known as CHR5 and a histone demethylase gene that specifically removes methyl groups from methylated histone H3 lysine 4 (H3K4me), called JMJ15 in regulating chromatin structure or in resetting chromatin modifications that control the expression of plant developmental and stress responsive genes. In the first part of the study we found that CHR5 expression is activated during embryogenesis and remained to be expressed in developing organs/tissues. Analysis of mutants revealed that loss-of-function of the genes led to decreased expression of key embryo maturation genes LEC1, ABI3 and FUS3 in developing seeds and reduced seed storage protein accumulation. Analysis of double mutants revealed an antagonistic function between CHR5 and PKL, a CHD3 gene, in embryo gene promoter activity and seed storage protein accumulation. CHR5 was directly associated with the promoters of ABI3 and FUS3 and chr5 mutations led to increased nucleosome occupancy near the transcriptional start site. The results suggest that CHR5 is involved in nucleosome occupancy to regulate embryo identity genes expression, which is counterbalanced by PKL during embryo development. The second part of this study showed that expression of JMJ15 was restricted to a few tissues during vegetative growth. The jmj15 gain-of-function mutations reduced the length of seedling hypocotyls and inflorescence stems with higher accumulation of lignin in the stem, while the loss-of-function mutants did not show any visible phenotype. The gain-of-function mutants enhanced salt tolerance, whereas the loss-of-function mutants were more sensitive to salt. Transcriptomic analysis revealed a much higher number of genes down-regulated in JMJ15 over-expression plants, which are highly enriched for H3K4me3 and H3K4me2. Among the down-regulated genes, many encode transcription regulators of stress responsive genes. The data suggest that increased JMJ15 levels may regulate the gene expression program that may coordinate plant growth restrains and enhances stress tolerance. Taken together, my thesis work brought a few new elements to the current understanding of chromatin regulators function in plant gene expression.

L'intégrase (IN) du VIH-1 est une enzyme qui catalyse l'intégration du génome du virus dans celui de la cellule infectée. Cette étape d'intégration est cruciale pour le virus pour qu'il puisse se répliquer de manière efficace, l'intégration est donc une cible de choix dans les thérapies antivirales. Comprendre les mécanismes qui participent à l'intégration est donc nécessaire afin de développer des solutions efficaces pour contrecarrer le virus.L’intégration rétrovirale est catalysée par une structure oligomérique d’IN et d’ADN viral bien particulière appelée intasome. Les intasomes rétroviraux catalysent l’intégration préférentiellement sur des nucléosomes, composés d’ADN enroulé de protéines histones, plutôt que sur de l’ADN nu. Ceci est en parti du aux contraintes physiques imposés par la structure de l’intasome, mais également grâce à des facteurs de ciblage cellulaires qui vont interagir avec à la fois l’intasome et des composants du nucléosome.Dans ce projet de thèse, nous avons pu mettre en évidence une nouvelle interaction hôte-pathogène entre l’IN du VIH-1 et la queue d’histone H4 (une des protéines constituant le nucléosome). Ce projet s’est ainsi focalisé autour de cette interaction et a permis de :• Démontrer l’importance de l’interaction entre l’IN du VIH-1 et la queue d’histone H4 lors du cycle viral et plus précisément pour l’étape d’intégration, validant ainsi cette interaction comme une nouvelle interaction hôte-pathogène.• D’identifier que la queue d’histone H4 est un partenaire essentiel de l’intasome du VIH-1 pour qu’il puisse s’ancrer sur le nucléosome.• Développer une nouvelle stratégie antivirale visant à bloquer cette interaction dans les cellules infectées grâce à des composés chimiques. / HIV-1 integrase (IN) catalyzes the insertion of the viral genome into the host cell chromatin. This step is crucial for the virus for its efficient replication, integration is thus of interest to target for antiviral strategies. Understanding the mechanisms involved in integration is important in order to develop efficient tools to fight the virus.Retroviral integration is catalyzed by the intasome, an oligomer of IN and viral DNA. Intasomes integrate onto nucleosomes, composed of DNA wrapped around histone proteins, over naked DNA.In this thesis project, we have identified a new host-pathogen interaction between HIV-1 IN and the H4 histone tail. The topic of the project was then focus on this interaction and has highlighted:• The importance of the HIV-1 IN – H4 histone tail interaction for the viral cycle, especially onto the integration step, validating a new host-pathogen interaction.• The identification of the H4 histone tail as an essential partner for HIV-1 intasome for its anchoring onto nucleosomes.• The development of a novel antiviral strategy aiming to block this interaction in infected cells using chemical compounds

L'organisation de l'ADN sous forme de nucléosome interfère avec différents processus cellulaires. La cellule recrute des facteurs de remodelage et des variants d'histones pour surmonter cette barrière physique. Dans ce travail, nous utilisons la Microscopie à Force Atomique pour visualiser des mono- et des oligo- nucléosomes à l'équilibre et hors-équilibre.<br />Nous montrons que le variant H2A.Bbd modifie la structure et la dynamique du mono-nucléosome et que sa présence altère la faculté de la chromatine à former une structure d'ordre supérieur. En utilisant un modèle physique nous expliquons quantitativement ce comportement par la flexibilité du mono-nucléosome.<br />Nous étudions ensuite le mécanisme du remodelage de mono-nucléosomes par SWI/SNF et RSC. Nous mettons en évidence un intermédiaire réactionnel sous la forme d'un nucléosome sur-complexé apparaissant avant le nucléosome glissé. Enfin au niveau des di-nucléosomes nous montrons que RSC est un ‘randomiseur' processif et séquentiel.

Cette thèse s'inscrit dans la recherche des propriétés mécaniques de la fibre de chromatine et de leur rôle. Après un rappel de connaissances sur la chromatine, nous introduisons les techniques de manipulations de molécules uniques en biophysique. Nous esposons ensuite le dispositif de pince optique que nous avons mis en œuvre ainsi que les développements plus récents de manipulations à l'aide d'un champ magnétique rotatif.<br />Nous discutons alors des résultats obtenus sur la transition B-S de l'ADN et tentons de les interpréter en invoquant une différence de comportement sous étirement selon que la séquence est riche en A-T ou en G-C. <br />Les résultats des étirements sur trois principaux types de chromatine sont ensuite présentés : force nécessaire à la rupture d'un nucléosome et longueur d'ADN libérée. En faisant varier les conditions d'étirements (essentiellement concentrations salines et concentrations en chromatine exogène), en modifiant la composition de la fibre de chromatine, nous montrons que le nucléosome n'est pas une entité stable dans les conditions diluées classique des expériences sur molécules uniques. Nous confirmons par ailleurs ce résultats avec des expériences de dilution suivit d'analyse sur gel d'électrophorèse. Les résultats établis après stabilisation nous invitent à poursuivre la discussion du déroulement du nucléosome sous tension à partir d'un modèle existant. Sur la base de ces résultats, nous tentons alors de donner une interprétation du déroulement du nucléosome que nous recadrons dans le contexte de la régulation génétique à l'échelle du nucléofilament.

Les eucaryotes expriment des variants d'histones non-alléliques en faible quantité en plus des histones conventionnels. De récentes données ont montré que ces variants d'histones sont impliqués dans de nombreuses fonctions cellulaires dont la réparation de l'ADN, la ségrégation des chromosomes ou encore le contrôle de la transcription. L'objectif de cette étude est d'améliorer la compréhension du rôle biologique des variants d'histones. Les travaux rapportés dans ce manuscrit abordent plus spécifiquement la fonction de deux variants: H2BFWT, qui joue un rôle dans la spermatogenèse chez l'homme; et macroH2A1 qui semble impliqué dans la répression transcriptionnelle.<br />Nous avons montré que malgré sa grande divergence avec H2B, l'incorporation de H2BFWT ne modifie pas la structure globale du nucléosome. Néanmoins, contrairement à l'histone somatique H2B, H2BFWT n'a pas la capacité de recruter les facteurs d'assemblage du chromosome et n'est pas requis pour la condensation du chromosome mitotique. Cette différence de comportement vis-à-vis de l'assemblage des chromosomes suggère que H2BFWT pourrait être impliqué dans l'architecture de structure d'ordre supérieur de la chromatine.<br />Dans le but d'élucider le rôle biologique de macroH2A1 in vivo, nous avons généré une lignée de souris invalidées pour macroH2A1.<br />Malgré l'abondance des investigations portant sur macroH2A1, sa fonction reste inconnue. MacroH2A1 a la particularité d'être trois fois plus grand que H2A, il comporte ainsi une extension C-terminale de fonction inconnue. Initialement macroH2A1 avait été décrit comme principalement localisé sur le chromosome X inactif. La signification biologique de cet enrichissement n'est pas comprise. In vitro, la présence de macroH2A1 interfère avec la transcription. De récentes études ont montré que certaines séquences d'ADN méthylées, incluant les gènes soumis à l'empreinte et les rétrotransposons sont enrichies en nucléosomes contenant macroH2A1. Il a également été démontré que c'est la méthylation de l'ADN, nécessaire pour la répression transcriptionnelle, qui permet le recrutement de macroH2A1 sur les rétrotransposons. Nous émettons l'hypothèse que la méthylation de l'ADN aboutirait à la répression des rétrotransposons via le recrutement de macroH2A1.<br />L'étude du phénotype des souris déficientes en macroH2A1 permet de conclure que contrairement au consensus actuel, macroH2A1 n'est pas nécessaire pour réprimer la transcription des séquences répétées incluant les rétrotransposons.<br />Les examens anatomopathologiques suggèrent que macroH2A1 pourrait être impliqué dans la régulation du métabolisme des acides gras.

CENP-A est le variant d’histone qui remplace spécifiquement l’histone H3 au niveau des centromères et confère ses propriétés uniques à la chromatine centromérique. La cristallographie aux rayon X, ainsi que la digestion à la MNase des nucléosomes contenant CENP-A suggèrent une flexibilité de l’ADN entrant et sortant de ce nucléosome. Néanmoins ces déductions restent aujourd’hui au stade hypothétique, en particulier, rien n’est connu sur le rôle éventuelle de cette particularité dans la fonction du nucléosome CENP-A. L’utilisation de la cryo-électromicroscopie nous a permis de déterminer les caractéristiques de la dynamique de l’ADN sortant du nucléosome CENP-A. Nos analyses biochimiques, de protéomiques et de pseudo-génétiques révèlent que la flexibilité élevée de l’ADN du nucléosome CENP-A ne permet pas l’interaction avec l’histone de liaison H1. In vitro, remplacer les 2 tours de l’hélice aN de CENP-A avec les 3 tours de l’hélice aN de H3 permet de restaurer l’interaction de l’histone H1. In vivo, le replacement des nucléosomes CENP-A par des nucléosomes contenant ce même nucléosome hybride aN-CENP-A permet également le recrutement de H1, mais cela conduit également à la délocalisation d’un certain nombre de protéines du kinétochore. Ce kinétochore ne permet pas une ségrégation correcte des chromosomes et il conduit à des phases de mitose et de cytokinèse défectueuses. L’ensemble de ces données montre que la conservation au cours de l’évolution de la flexibilité de l’ADN dans le nucléosome CENP-A est essentielle pour l’accomplissement de la division cellulaire. / CENP-A is a histone variant, which replaces histone H3 at centromeres and confers unique properties to centromeric chromatin. The crystal structure and MNase digestion of CENP-A nucleosome suggests flexible nucleosomal DNA ends but their dynamics in solution remains elusive and their implication in centromere function is unknown. Using electron cryo-microscopy we determined the dynamic solution properties of the CENP-A nucleosome. Our biochemical, proteomic and genetic data reveal that the high flexibility of the DNA ends impairs histone H1 binding to the CENP-A nucleosome. Substituting the 2-turn aN-helix of CENP-A with the 3-turn N-helix of H3 results in particles able to bind histone H1. In vivo replacement of CENP-A nucleosomes with the same NH3-CENP-A hybrid nucleosomes leads to H1 recruitment, delocalization of kinetochore proteins and significant mitotic and cytokinesis defects. Put together, ourdata reveal that the evolutionarily conserved flexible ends of the CENP-A nucleosomes are essential to ensure the fidelity of the mitotic pathway.

Le programme d'expression de gènes dans des cellules eucaryotes dépend fortement de l'état du porteur du génome. L'état physique de la fibre de chromatine est un élément clé de ce programme. Cependant, malgré l'effort considérable fourni pour élucider la structure et les principes physiques de l'organisation de la chromatine, ces principes restent flous. La théorie phénoménologique permet d'analyser l'organisation probable de la chromatine de point de vue thermodynamique. Dans cette thèse, nous étudions l'ordre liquide-cristallin qui résulte de l'équilibre entre le désordre thermique dans la chromatine et les interactions électrostatiques (et mécaniques) de ses constituants. En utilisant les résultats expérimentaux largement acceptés, nous identifions les propriétés robustes mésogènes des nucléosomes (nano-assemblages ADN-protéines) à une petite échelle, et nous montrons comment les corrélations de ces paramètres contrôlent l'ordre qui s'installe dans la chromatine à l'échelle plus grande. Le modèle est basé sur les corrélations des caractéristiques polaires et chirales des nucléosomes. La théorie phénoménologique permet de décrire les phases condensées dans des solutions aqueuses des nucléosomes avec l'ADN linker digéré par des enzymes, aussi bien dans des conditions physiologiques que dans une large gamme de concentration du sel monovalent. Nous utilisons l'hypothèse que pour les mêmes conditions physiologiques les mécanismes physiques qui agissent dans les solutions condensées et dans la fibre sont similaires. Cela nous permet par la suite d'effectuer l'analyse de symétrie, construire le modèle de l'énergie libre, et prédire les états liquide-cristallins hélicoïdaux de la fibre favorisés thermodynamiquement. En plus des modèles de « solénoïde » et de « l'hélice à deux départs » discutés dans la littérature, nous montrons la possibilité des arrangements nucléosomiques « à plusieurs départs » et la biaxialité possible de ces structures. L'effet de l'application d'un champ de force homogène à la fibre de chromatine dans des expériences biochimiques est également étudié. Nous montrons que le déroulement de l'état hélicoïdal est un processus multi-étapes, et nous présentons ses détails structuraux et thermodynamiques. / Gene expression program in eukaryotic cells is strongly dependent on physical state of the genome carrier. Physical state of the chromatin is a key element in this program. However, despite the efforts to elucidate the structure and the physical principles underlying the organization of chromatin, they remain largely unknown. Phenomenological theory helps to analyze the most probable chromatin organization. In the present work we study liquid-crystalline order in chromatin resulting from the balance of thermal disorder and electrostatic (and mechanical) interactions of its constituents. Using generally accepted experimental facts we identify robust mesogenic parameters of nucleosomes (DNA-protein nano assemblies) at the smaller scale and show how the correlations of these parameters control the ordering into a chromatin structure at the bigger scale. The model is based on correlation of polar and chiral characteristics of nucleosomes. Phenomenological theory allows us to describe the condensed phases in aqueous solutions of nucleosomes with digested linker DNA, both in physiological conditions and in a wide range of monovalent salt concentration. Using the hypothesis of similar physical mechanism acting in condensed solutions and in the fiber in the same physiological conditions, we perform detailed symmetry analysis, construct the free energy model and reveal the thermodynamically favorable helical liquid-crystalline states of the fiber. In addition to « solenoid » and « two-start-helix » models abundantly discussed previously, we show the possibility of multi-start helix arrangements of nucleosomes in the chromatin and possible biaxiality of the structures. The effects of homogeneous mechanical force field applied to the chromatin in biochemical experiments are also studied. We show that helical state unwinding is a multistep process and we give its structural and thermodynamical details.