Eukaryotic organisms contain their entire genome in the nucleus of their cells. In order to fit within the nucleus, genomic DNA wraps into nucleosomes, the basic, repeating unit of chromatin. Nucleosomes wrap around each other to form higher order chromatin structures. Here we study many factors that affect, or are effected by, chromatin structure including: (1) how low-dose inorganic arsenic (iAs) changes chromatin structures and their relation to global transcription and splicing patterns, and (2) how chromatin architectural proteins (CAPs) bind to and change nucleosome dynamics and DNA target site accessibility. Despite iAs’s non-mutagenic nature, chronic exposure to low doses of iAs is associated with a higher risk of skin, lung, and bladder cancers. We sought to identify the genome-wide changes to chromatin structure and splicing profiles behind the cell’s adaptive response to iAs and its removal. Furthermore, we extended our investigation into cells that had the iAs insult removed. Our results show that the iAs-induced epithelial to mesenchymal transition and changes to the transcriptome are coupled with changes to the higher order chromatin structure and CAP binding patterns. We hypothesize that CAPs, which bind the entry/exit and linker DNA of nucleosomes, regulate DNA target site accessibility by altering of the rate of spontaneous dissociation of DNA from nucleosome. Therefore, we investigated the effects of the repressive CAP histone H1, the activating CAP high mobility group D1 (HMGD1), and the neural CAP methyl CpG binding protein 2 (MeCP2) on the dynamics of short chromatin arrays and mononucleosomes and their effect on nucleosomal DNA accessibility. Using biochemical and biophysical analyses we show that all CAP-chromatin structures tested were susceptible to chromatin remodeling by ISWI and created more stable higher order structures than if CAPs were absent. Additionally, histone H1 and MeCP2 hinder model transcription factor Gal4 from binding its cognate DNA site within nucleosomal DNA. Overall, we show that chromatin structure is dynamic and changes in response to environmental signals and that CAPs change nucleosome dynamics that help to regulate chromatin structures and impact transcriptional profiles.

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.

Le positionnement des nucléosomes le long des génomes eucaryotes est crucial étant donné qu’il affecte l’accessibilité de l’ADN à des protéines impliquées dans la transcription, la réplication, ou encore la réparation de l’ADN. Si il est aujourd’hui admis que les remodeleurs de chromatine ainsi que les préférences des nucléosomes pour certains motifs d’ADN constituent les deux principaux déterminants du positionnement des nucléosomes in vivo, leur importance relative fait encore l’objet de controverses. Dans le cadre de cette problématique nous avons développé une stratégie d’assemblage de répétitions de la séquence 601 positionnante de nucléosome directement dans le génome de Saccharomyces cerevisiae. Cette technique assistée par la technologie CRISPR/Cas9 et des oligonucléotides chevauchants s’est révélée très efficace et a permis d’assembler des répétitions sur une étendue d’environ 15 kilobases. Nous avons ainsi pu isoler trois souches se caractérisant par trois longueurs d’ADN de liaison de respectivement 20, 50 et 90 paires de bases séparant deux 601 consécutifs tout le long des répétitions. Ces longueurs d’ADN de liaison ont été choisies du fait de leur compatibilité avec les modèles de la fibre de 30 nm étudiés in vitro et parce qu’elles sont fréquemment observées chez les eucaryotes. Nous avons ensuite regardé si ces répétitions de la séquence 601 suffisent à dicter la succession des nucléosomes de S. cerevisiae selon le pas de chromatine attendu. Pour cela, nous avons eu recours à une approche de MNase-seq afin d’analyser les positions des dyades des nucléosomes dans les répétitions. Les résultats de ces analyses révèlent de façon intéressante l’incapacité de la séquence 601 à positionner le nucléosome dans ce contexte cellulaire et cela malgré l’étendue de la région de 601 répétés constituée. Nous avons également analysé le positionnement des nucléosomes chez ces trois mêmes souches suite à l’inactivation de Chd1, l’un des deux principaux architectes du paysage nucléosomal chez la levure, afin de s’affranchir de son potentiel effet sur le positionnement des nucléosomes dans la région 601. Nos résultats montrent que l’absence de Chd1 ne permet pas de rétablir un positionnement des nucléosomes sur les monomères de 601, suggérant que le 601 n’est pas positionnant in vivo ou que la région répétée est sous l’influence d’autres facteurs de remodelage. D’un point de vue méthodologique, notre technique de construction de répétitions in vivo permet d’envisager des approches simplifiées de biologie synthétique pour la construction de librairies de répétitions dans le génome de S. cerevisiae. / Nucleosome positioning along eukaryotic genomes is crucial as it influences DNA accessibility for DNA binding proteins involved in DNA replication, transcription and repair. It is now accepted that both nucleosome preferences for some DNA sequences and remodeling factors play an important role in nucleosome positioning in vivo. However their relative importance remains a matter of debate. To investigate the role played by DNA sequence in nucleosome positioning in a cellular context we developped a strategy to assemble tandem DNA repeats of a nucleosome positioning sequence directly into Saccharomyces cerevisiae’s genome. This method is assisted by CRISPR/Cas9 and overlapping oligonucleotides and it turned out to be very efficient as it allowed to synthetize about 15 kilobases of tandem DNA repeats inside a yeast chromosome. Using this apporoach we obtained three yeast strains differing by the DNA linker length separating two consecutive monomeres of the 601 nucleosome positioning sequence. We chose three lengths of linker (20, 50 and 90 pb) for two reasons. First, they are compatible with the formation of a 30 nm chromatin fiber in vitro, and second, nucleosome repeat length of 167, 197 and 237 pb are found in eukaryotic genomes. We then verified if nucleosomes are effectively positioned according to the theoretic DNA linker lengths we designed in the “601” repeated region. To that goal we performed MNase-seq analysis to deduce nucleosomes dyads positions in the repeats. Interestingly our results show that the 601 sequence is not able to dictate strong nucleosomes positioning differing from the natural nucleosome repeat length of about 165 pb along the repeats in an in vivo context. We further investigated positions of dyads in the same three strains after inactivating the gene coding for the chromatin remodeler Chd1, which could potentially be responsible of the nucleosomes organization in the repeated area. Our results show no effect of Chd1, indicating that the “601” sequence has no positionning effect in vivo or that other trans-acting factors are implicated in nucleosome positioning in the engineered repeats. Finally, this work provides a new fast and simple approach for synthetic DNA repeats construction inside the yeast genome and could easily be applied for other synthetic chromatin engineering approaches.

Le monde biologique est rempli de mystères. La compréhension de nombreux processus biologiques extrêmement complexes est grandement améliorée par la combinaison d’approches empruntées à différentes disciplines telles que la chimie et plus récemment la physique. La physique utilise des outils expérimentaux tels que les pinces optiques et les microscopies optique et électronique pour explorer les mécanismes à l’échelle microscopique se déroulant dans la cellule. La connaissance de la nature des interactions entre biomolécules et la possibilité de traduire ces interactions en équations ont permis à la physique de construire des modèles simples mais contenant les ingrédients suffisants à la description d’un mécanisme spécifique. La simulation numérique de tels modèles permet d’améliorer notre compréhension de la relation entre les mécanismes pertinents à l’échelle moléculaire et les observations expérimentales de phénomènes biologiques. / The biological world is full of mysteries. The understanding of many extremely complex biological processes is greatly improved by the combination of approaches borrowed from different disciplines such as chemistry and more recently physics. Physics uses experimental tools such as optical tweezers and optical and electron microscopes to explore the microscopic mechanisms taking place in the cell. Knowledge of the nature of the interactions between biomolecules and the possibility of translating these interactions into equations allowed physics to construct models that are simple, but contain the ingredients sufficient to describe a specific mechanism. The numerical simulation of such models improves our understanding of the relationship between relevant molecular-scale mechanisms and experimental observations of biological phenomena. The structural organization of biomolecular complexes is a process that involves various scales of length and time.

Au cours de la maturation des gamètes mâles a lieu un événement unique : les structures classiques qui ordonnent l'ADN sont complètement bouleversées et remplacées par une nouvelle, de composition et d'agencement différents, qui permet au noyau du spermatozoïde final une compaction qui n'est retrouvée nulle part ailleurs. Les signaux épigénétiques ainsi que les événements qui se déroulent alors au niveau moléculaire ne sont pas encore bien élucidés. C'est dans l'optique d'une meilleure compréhension de ce phénomène que la protéine Atad2 a été identifiée et caractérisée. Ce facteur, qui possède un bromodomaine ainsi qu'un domaine AAA, est retrouvé sous deux formes chez la souris. La plus courte, strictement testiculaire, est capable de se lier à la chromatine acétylée. De plus, comme les autres membres de la famille des AAAATPases, Atad2 est capable de se multimériser. Cette multimérisation régule son affinité à la chromatine. Des études plus poussées ont montré un rôle dans l'activité transcriptionnelle ainsi que dans la stabilité des structures basales d'ordonnancement de l'information génétique, les nucléosomes. De plus, chez l'humain, Atad2 a été retrouvé exprimé de façon aberrante dans certaines tumeurs. L'élucidation du rôle de cette protéine dans les cellules germinales et somatiques apportera ainsi des informations sur le changement complet de la nature chromatinienne au cours de la spermatogenèse, et peut-être permettra peut-être une meilleure appréhension de l'activité génomique ayant lieux dans les cellules tumorales.

Gene activity is regulated at two separate layers. Through structural and chemical properties of DNA – the primary layer of encoding – local signatures may enable, or disable, the binding of proteins or complexes of them with regulatory potential to the DNA. At a higher level – the structural layer of encoding – gene activity is regulated through the properties of higher order DNA structure, chromatin, and chromosome organization. Cells with abnormal chromosome compaction or organization, e.g. cancer cells, may thus have perturbed regulatory activities resulting in abnormal gene activity. Hence, there is a great need to decode the transcriptional regulation encoded in both layers to further our understanding of the factors that control activity and life of a cell and, ultimately, an organism. Modern genome-wide studies with those aims rely on data-intense experiments requiring sophisticated computational and statistical methods for data handling and analyses. This thesis describes recent advances of analyzing experimental data from quantitative biological studies to decipher the structural layer of encoding in human cells. Adopting an integrative approach when possible, combining multiple sources of data, allowed us to study the influences of chromatin (Papers I and II) and chromosomal aberrations (Paper IV) on transcription. Combining chromatin data with chromosomal aberration data allowed us to identify putative driver oncogenes and tumor-suppressor genes in cancer (Paper IV). Bayesian approaches enabling the incorporation of background information in the models and the adaptability of such models to data have been very useful. Their usages yielded accurate and narrow detection of chromosomal breakpoints in cancer (Papers III and IV) and reliable positioning of nucleosomes and their dynamics during transcriptional regulation at functionally relevant regulatory elements (Paper II). Using massively parallel sequencing data, we explored the chromatin landscapes of human cells (Papers I and II) and concluded that there is a preferential and evolutionary conserved positioning at internal exons nearly unaffected by the transcriptional level. We also observed a strong association between certain histone modifications and the inclusion or exclusion of an exon in the mature gene transcript, suggesting a functional role in splicing.

The key to the complexity of higher organisms lies not in the number of protein coding genes they carry, but rather in the intrinsic complexity of the gene regulatory networks. The major effectors of transcriptional regulation are proteins called transcription factors, and in this thesis four papers describing genome-wide studies of seven such factors are presented, together with studies on components of the chromatin and transcriptome. In Paper I, we optimized a large-scale in vivo method, ChIP-chip, to study protein – DNA interactions using microarrays. The metabolic-disease related transcription factors USF1, HNF4a and FOXA2 were studied in 1 % of the genome, and a surprising number of binding sites were found, mostly far from annotated genes. In Paper II, a novel sequencing based method, ChIP-seq, was applied to FOXA2, HNF4a and GABPa, allowing a true genome-wide view of binding sites. A large overlap between the datasets were seen, and molecular interactions were verified in vivo. Using a ChIP-seq specific motif discovery method, we identified both the expected motifs and several for co-localized transcription factors. In Paper III, we identified and studied a novel transcription factor, ZBED6, using the ChIP-seq method. Here, we went from one known binding site to several hundred sites throughout the mouse genome. Finally, in Paper IV, we studied the chromatin landscape by deep sequencing of nucleosomal DNA, and further used RNA-sequencing to quantify expression levels, and extended the knowledge about the binding profiles for the transcription factors NFY and TCF7L2.

Eukaryotic genomes are packaged as chromatin, which restricts access to the DNA by critical processes such as DNA replication, repair, and transcription. As a result, eukaryotic cells rely on ATP-dependent chromatin remodeling enzymes (remodelers) to alter the position, structure, and composition of nucleosomes. Understanding the mechanism and regulation of remodeling requires detailed information about transient intermediates of the remodeling process--a challenge ideally suited for single-molecule approaches. In particular, we use single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET) to measure nanometer-scale distance changes between strategically placed donor and acceptor dyes to monitor nucleosome translocation in real-time. The mechanism(s) by which remodelers use the free energy of ATP hydrolysis to disrupt histone-DNA contacts and reposition nucleosomes are not well understood. Using smFRET, we show that remodeling by ISWI enzymes begins with a 7 base-pair (bp) step followed by subsequent 3 bp steps toward the exit-side of the nucleosome. These multi-bp steps are actually compound steps composed of 1 bp elementary steps. We discover that DNA movement on the entry side lags behind exit side translocation, which is contrary to previously proposed models. Based on our results, we propose a new integrated mechanism for nucleosome translocation by ISWI enzymes. In the physiological context, remodelers are highly regulated. We study the regulation of human ACF, a prototypical ISWI complex, by critical features of the nucleosomal substrate. First, we dissect how the nucleosome translocation cycle is affected by the linker DNA length and histone H4 tail. Next, we introduce mutations/deletions into conserved enzyme domains to determine the mechanism by which linker length information sensed by the Acfl accessory subunit is allosterically transmitted to the Snf2h catalytic subunit. Interestingly, we find that Acfl modulates the activity of Snf2h indirectly by interacting with the H4 tail in a linker-length dependent fashion. While the majority of our experiments focus on observing changes in nucleosome position, we also develop strategies for site-specific labeling of ISWI enzymes and demonstrate their use in the study of dynamic enzyme-substrate interactions and enzyme conformational changes.

Une approche de biologie structurale intégrative a été mise à profit pour l'étude de l’organisation structurale du complexe NuRD. Mon travail s'est focalisé essentiellement sur trois sous-unités du complexe: MBD3, RbAp46 et RbAp48. J'ai mis en place les protocoles de production et de purification de ces différentes sous-unités, et les ai caractérisé biophysiquement par diverses méthodes. Nous avons ensuite entrepris des études de liaisons sur des nucléosomes reconstitués au laboratoire. Pour MBD3, l'optimisation du complexe nous a permis d'obtenir des cristaux diffractant jusqu'à 7 A de résolution. Parallèlement, une reconstruction 3D préliminaire à partir de données de cryo-microscopie électronique a pu être obtenue à 25A de résolution. Pour RbAp46/48, nous avons pu montrer que ces protéines formaient un complexe stable avec le nucléosome, pavant la voie pour leur future étude structurale par cryo-microscopie électronique ou cristallographie aux rayons-X. / An integrative structural biology approach has been used to study the structural organization of the NuRD complex.My work focused especially on three subunits of this complex: MBD3, RbAp46 and RbAp48. I set up the preparation of the individual subunits and characterized them by various biophysical methods. We next carried out binding assays with homemade human nucleosomes. For MBD3, optimization of the complex led to crystals diffracting up to 7 Å. In parallel, a preliminary 3-D reconstruction at 25 Å resolution has been solved in cryo-EM. For RbAp46/48, crystal we were able to show that these proteins form stable complexes with the nucleosome, paving the way for future structural analysis by cryo-EM or X-ray crystallography.

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