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Eukaryotní DNA se váže kolem nukleozomů, čím ovplyvnuje vyšši strukturu DNA a přístup k vazebním mistům pro všeobecní transkripční faktory a oblasti genů. Je proto důležité vědet, kde se nukleozomy vážou na DNA, a jak silná tato vazba je, abychom mohli porozumět mechanizmům regulace genů. V rámci projektu byla implementována nová metoda pro predikci nukleozomů založená na rozšíření Skrytých Markovových modelů, kde jako trénovací a testovací sada posloužila publikována data z Brogaard et al. (Brogaard K, Wang J-P, Widom, J. Nature 486(7404), 496-501 (2012). doi:10.1038/nature11142). Správne predikováno bylo zhruba 50% nukleozomů, co je porovnatenlný výsledek s existujícimi metodami. Okrem toho byla provedena řada experimentů popisující vlastnosti sekvencí nukleozomů a ich organizace.

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The mutation/deletion of the hereditary material in the cell nuclei is a chronic biochemical hazard; in fact, nuclear DNA faces tens of lesions from metabolic intermediates, hydrolytic reactions and external vectors a minute. The canonical lesions of DNA involve the DNA backbone as well as the nucleic bases and are mostly associated with reversible chemical modifications. However, the radiation field from beams of accelerated ions accounts for a dense streak of collisions and reactions with the DNA molecule, thereby achieving lethal clusters of elemental lesions. Double strand breaks (DSB), i.e., the cleft of the DNA backbone over both strands, are hazardous fractures of the chromatin fold associated with the radiation field, underlying cytotoxic outcomes and chromosomal aberrations. Eukaryotic cells, however, rejoin the fractured DNA moieties from DSB events via an apt enzymatic machinery, or the DDR. Prior to the deployment of enzymatic effectors, host enzyme sensors engage the DNA termini in reversible supramolecular assemblies, which requires that the fractured DNA moieties be fully exposed. The in silico assessments of the early layout of DNA lesions by radiations have defined DSBs as the closely associated modifications of the DNA backbone by means of “coarse” criteria, that is, within an arbitrary distance of the two clefts. However, the diverse DSB motifs, i.e. at a strand break distance of zero to several nucleotides, account for a different contact interface between the DNA termini, thus modulating the dynamics of the lesion sites. Moreover, it is reckoned that in the absence of excess external stimuli, far-distanced DSBs may not fracture the broken DNA moieties by thermal dissociation, within the characteristic timescales of the DDR activity. This thesis elaborate tackles the in silico assessment of the distribution of DSBs in a chromatin-like fold and the local mechanical strain enforced by blunt DSBs, by means of state-of-the-art Monte-Carlo track structure tools and classical molecular dynamics. We infer that i) a Poisson fit describes the spectrum of DSB motifs by the direct effect of accelerated hydrogen ions (H+) at a Bragg peak relevant energy range (500 keV - 5 MeV) and, notably, we observe a bias towards short-distanced, staggered DSBs; ii) the nucleosome fold, i.e. the elemental unit of the chromatin hierarchical framework, exerts an excess kinetic barrier on the disruption of DSBs, which is not observed in linear DNA, mediated by the contact interface between DNA and the core histone fold. In conclusion, we remark that in the absence of further data from in vitro and in vivo assessments, the (kinetic, thermodynamic) inferences about the thermal and mechanical resilience of broken DNA frameworks are as reliable as the force fields underneath; in fact, it is debated whether all-atom force fields and water models overestimate the force of the intermolecular contacts and over-stabilize the DNA double helix.

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Dans cette thèse nous avons étudié quatre aspects fondamentaux de l’interaction ADN-protéine, notamment : l’affinité, la spécificité, l’accessibilité et la cinétique. En particulier, nous avons adressé les questions suivantes : comment un dimer du facteur de transcription NF-kB reconnait spécifiquement sa séquence d’ADN-cible, quelle est la rapidité de ces interactions, comment NF-kB interagit avec son site de fixation dans le contexte de la chromatine? Récemment, la spécificité de l’interaction NF-kB – ADN a reçu une attention particulière après l’observation que NF-kB peut se lier à des séquences qui n’entrent pas dans la classification de ses motifs « consensus ». Nous avons étudié la spécificité d’interaction de sept de ces motifs avec quatre dimers de NF-kB. Nos résultats montrent que le homo-dimer p50 sont les moins discriminatives et peuvent s’associer spécifiquement avec ces sept séquences. Par contre, les homo-dimers RelA se sont révélés hautement discriminatives ne pouvant pas s’associer spécifiquement avec ces séquences. Pour mesurer l’affinité de l’interaction nous avons utilisés deux méthodes distinctes : le traditionnel gel de retard (EMSA) et une nouvelle technique – « l’empreinte » au laser UV. Nos résultats montrent que le deuxième approche est plus approprié pour la mesure des constantes spécifiques de dissociation.Pour étudier la dynamique de l’interaction NF-kB – ADN, nous avons couplé l’empreinte au laser UV avec un appareil de mélange-rapide à façon. Cette combinaison nous a permis d’atteindre une résolution spatiale d’un nucléotide et temporaire de quelques millisecondes. Nous avons montré que l’homo-dimer p50 s’associe avec sa séquence-cible (MHC) H2 en suivant une cinétique à 2 pas. Le premier, de durée ~100 ms, reflète une reconnaissance initiale rapide, tandis que le deuxième, de durée ~1s, reflète une stabilisation lente du complexe. Nos expériences suggèrent aussi que les séquences voisines du site de reconnaissance jouent aussi un rôle dans la stabilisation du complexe.Finalement, nous avons étudié aussi l’accessibilité du nucléosome pour le NF-kB. Nos données in vitro montre que l’invasion spécifique de l’ADN à l’intérieure du nucléosome par NF-kB nécessite une perturbation majeure de la structure du nucléosome telle que l’éviction d’au moins un dimer d’histones H2A-H2B. / In this thesis we have attempted to study four basic aspects of DNA-protein interactions: Affinity, specificity, accessibility and kinetics. With NF-kB as our model transcription factor, we wanted to investigate how a particular dimer recognizes a specific binding sequence? How fast are these interactions? And finally, how does the NF-kB interact with it binding site in the chromatin context? Specificity of NF-kB-DNA interactions has recently come into focus after it was shown that these dimers can bind to the sequences which do not fall into the NF-kB general consensus motif. We studied seven such sequences for their specificity for four NF-kB dimers. Our results show that p50 homodimers are least discriminative and can bind specifically to all these sequences. While as, RelA homodimers were highly discriminative and did not bind to most of these nontraditional sequences. We used two different methods to measure binding affinities: traditional gel mobility shift assay (EMSA) and a novel technique called as UV laser footprinting. Our results show that UV laser footprinting is the better method to determine the binding constants.For studying the dynamics of NF-kB-DNA binding, we combined UV laser footprinting with stopped flow device. This combination, not only give us one base pair resolution but also milli-second time resolution. Using p50 homodimers as a model transcription factor, we showed that the binding of this factor follows a two-step mechanism. First step involves the fast recognition of the sequence and second step follows a slower kinetics most likely for the stabilization of the complex. Our experiments suggest that flanking sequences play a role in the recognition and stabilization process of the complex formation.Finally, we also studied the accessibility of nucleosomes to NF-kB. Our in vitro data sheds light on the in vivo requirements for the alterations in chromatin structure necessary for the productive binding of NF-kB. These include either a removal of H2A-H2B dimers from the nucleosome and/or chromatin remodeler induced relocation of the histone octamer.Our data sheds light on the in vivo requirements for the alterations in chromatin structure necessary for the productive binding of NF-kB. We hypothesize that some factors like PU.1 might be able to target the chromatin remodeling/dimer eviction machinery to particular nucleosomes and lead to productive binding of NF-kB.

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Nous avons utilisé la méthode de CEMOVIS (Cryo-Electron Microscopy Of Vitreous Sections) pour étudier l’ultrastructure des cellules HT29 (lignée cancéreuse colique humaine) et plus particulièrement l’organisation de la chromatine au sein du noyau. Pour améliorer la méthode, nous avons développé un micromanipulateur qui facilite la collecte des coupes et leur transfert sur la grille. Nous avons également cherché à préparer de nouveaux films métalliques (en remplacement du carbone) permettant une meilleure adhésion des coupes sur le support Au vu des premiers tests réalisés, les films de TiO2 que nous avons fabriqués au laboratoire et caractérisés par microscopie électronique (HR, spectroscopie et cartographie EELS) semblent offrir des perspectives intéressantes que nous attribuons à leur propriétés de conducteur électrique à basse température (ce qui reste à démontrer). Les organites cellulaires (noyaux, réseaux de filaments du cytosquelette, systèmes multilamellaires) ont été identifiés in situ. Les conditions d’imagerie choisies nous ont permis d’obtenir une résolution permettant d’identifier les deux feuillets des bicouches membranaires. Dans le noyau, nous avons observé des motifs striés, distants de 2.7 à 3.5 nm que nous attribuons à la molécule d’ADN enroulée autour du cœur d’histones. Comparées aux images de phases denses de nucléosomes, ces images suggèrent que les nucléosomes (jamais identifiés in situ jusqu’à présent) présentent un ordre très local au sein de la chromatine, que nous discutons à la lumières des modèles polymériques actuels. / The ultrastructure of HT29 cells (human epithelial adenocarcinoma cell line) was studied by CEMOVIS (Cryo-Electron Microscopy of Vitreous Sections) with a special emphasis on chromatin organization in the cell nucleus. We proposed methodological improvements for this technique:- We first developed a grid holding micromanipulator to facilitate both cryosections collect and deposition on carbon-coated TEM grids.- We also developed new metallic thin films (to replace carbon-base supports) to enhance the adhesion of cryosections on their support. The TiO2 thin films that we produced and analysed by electron microscopy (high resolution imaging, EELS and chemical mapping) seem to be an interesting alternative to carbon films for the deposition of cryosections. Their adhesive properties could be due to Titanium high electric conductance at low temperature (although this relation has not been clearly demonstrated yet).In HT 29 cells, we indentified cell organites (nucleus; cytoskeleton filament bundles, multilamellar bodies) in situ. Selected imaging conditions provide for a high enough resolution to visualise the two membrane leaflets. In the cell nucleus, we observed striated patterns separated from 2.7 to 3.5 nm that we assume to be DNA molecule turns wrapped around the histone protein core. Compared with the dense phases formed in vitro by nucleosome core particle in solution, our images suggest that nucleosomes are locally ordered in chromatin. This observation is discussed regarding the chromatin polymeric models.

L'épigénome est défini par l’ensemble de l’information chromatinienne autre que celle fournie par la séquence ADN. Au sein d'une même espèce et pour un type cellulaire donné, chaque individu présente des caractéristiques particulières de l'épigénome. Les épi-polymorphismes, définis comme étant les différences inter-individus de marques chromatiniennes, sont encore partiellement caractérisés et peuvent être liés aux phénotypes de chacun. La première partie de mon travail a été d'identifier et d'interpréter chez S.cerevisiae l'impact des épi-polymorphismes de modification des queues d'histones. Pour y parvenir, j'ai cartographié les épigénomes de cinq modifications différentes (3 acétylations et 2 méthylations) chez trois souches de levures issues de différents isolats naturels. Par une méthode de ChIP-seq et le développement d'un outil informatique, j'ai comparé les épigénomes de ces souches à l'échelle de nucléosomes individuels. L'étude des propriétés génomiques des épi-polymorphismes m'a alors permis de découvrir certaines caractéristiques encore inconnues et décrites dans ce manuscrit.Par ailleurs, j'ai voulu aborder le lien entre épi-polymorphismes et réponse transcriptionnelle à l'environnement. Pour cela, j'ai construit un jeu de souches mutantes dérivées de souches naturelles, où certains épi-polymorphismes ne peuvent plus être maintenus. J'ai analysé par RNA-seq les transcriptomes de certaines de ces souches avant et après un changement environnemental. Malheureusement, l'analyse des résultats a révélé que la qualité des données ne permettent pas d'établir le lien recherché mais les outils mis en place sont désormais disponibles.J'ai enfin étudié la dynamique d'évolution d'un épigénome en présence ou en l'absence de pression de sélection. Pour cela, j'ai suivi une modification d'histone (l'acétylation de la lysine 14 de l'histone H3) chez la levure pendant 1.000 générations dans deux conditions d'évolution expérimentale différentes : l'une sélective, l'autre neutre. J'ai mis en évidence des différences remarquables et inattendues entre ces deux régimes évolutifs. Des études mécanistiques détaillées restent à faire pour caractériser la nature et les propriétés de ces différences. / Epigenome is defined as the entire chromatin information other than the DNA sequence. Within a given species and for a given cell type, each indivual has specific epigenomic characteristics. Epigenomic differences between individuals (refered to as 'epi-polymorphisms') remain poorly characterized, although cases were reported where they could be linked to phenotypic differences. In my thesis, I used the model organism S. cerevisiae to identify histone modification epi-polymorphisms and study their biological impact. I profiled the epigenome of five different histone modifications (3 acetylations and 2 methylations) in three natural yeast strains. By ChIP-seq methods and software developments, I compared these strains at single-nucleosome resolution and discovered novel characteristics of these epi-polymorphisms which are described in this manuscript.Furthermore, I constructed a research framework to investigate the link between epi-polimorphisms and response to environmental cues. For this, I built a set of mutant strains derived from natural strains but where some epi-polymorphisms can no longer be maintained. I analyzed by RNA-seq the transcriptomes of some of these mutant strains before and after an environmental shift. Unfortunately, the quality of this initial data produced was not sufficient to link epi-polymorphisms to differntial responses, but the strain resources remain available for further investigations. Finally, I studied the evolutionary dynamics of epi-polymorphisms in the presence or absence of selection pressure. To do so, I followed the evolution of H3K14ac for 1.000 generations under two conditions of yeast experimental evolution ( selective or neutral). Marked differences were observed between the two regimes, revealing unexpected consequences of the presence of selection. Further mechanistic studies will be needed to elucidate the full properties of these differences.