Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: This study examines the phylogeography of the southern African vlei rat, Otomys irroratus using the mtDNA cyt b gene and chromosomal data derived using G-, and C-banding, Ag-NOR staining and fluorescence in situ hybridization (FISH using flow sorts of Myotomys unisulcatus). A total of N = 102 specimens were used from the Western Cape, Eastern Cape, Northern Cape, Free State, Mpumalanga and KwaZulu-Natal provinces of South Africa. Of the N = 102, N = 55 comprised fresh material while N = 47 comprises museum material obtained from the Durban Natural Science Museum of South Africa. Cytogentic analysis of N = 55 specimens collected from seven localities in South Africa revealed intra-specific variation resulting from two rearrangements, namely pericentric inversions and heterochromatin variation. Of the 55 specimens that were analyzed 47% contained inversions or centromeric shifts on four autosomes (OIR1, OIR4, OIR6 and OIR10) which were present singly in specimens (i.e. none of the specimens contained all four inversions concurrently). These inversions were present in both homozygous and heterozygous state over a wide geographic range suggesting that they are floating polymorphisms. Given the potential role of inversions in post-mating isolation (through production of aneuploid gametes), the prevalence of inversions as floating polymorphisms in the vlei rats suggest that they are probably retained in the population through suppression of recombination in the inverted regions of the chromosomes. In addition, differences between populations is due to the presence or absence of heterochromatic arms (and not inversions), which cause variation in the NFa (40 – 49) and supernumerary B chromosomes, resulting in the variation in diploid number (2n = 28 – 32). Analysis of N = 55 specimens revealed Ag-NORs on 7 autosomal pairs 1, 2, 5, 7, 8 and 9 proximal to the centromere on the short arm of the chromosome. Pair 8 also displayed Ag-NOR at the distal end of the long arm of the chromosome in individuals from the Free State province. Pair 3 showed two Ag- NORs occurring proximal to the centromere on the short arm and on the terminal end of the long arm, respectively. I obtained 953bp of mtDNA cyt b from fresh material and 400bp from museum material. Using maximum parsimony and Bayesian inference two main clades were retrieved. Clade A specimens occur mainly in the Western and Eastern Cape provinces of South Africa. Clade B specimens occur in the Eastern Cape, Free State, KwaZulu-Natal, Northern Cape and Mpumalanga provinces of South Africa. The mean sequence divergence between the main clades (A and B) is 7.0% and between sub-clades comprising clade B is 4.8%, while within clade A the sequence divergence was 1.91%. Nested clade analysis revealed allopatric fragmentation within O. irroratus. Chromosomal characters also support the two evolutionary lineages as clade A has pericentric inversions which occur as floating polymorphisms which are absent in clade B. Clade B in turn is fixed for a complex tandem fusion rearrangement which is absent from clade A. Divergence date estimates indicate that the two clades separated around 1.1 MYA, which coincides with climate changes since the late Pliocene/Pleistocene epochs. Cladogenesis within this species complex could therefore have been influenced by habitat fragmentation. A full taxonomic review of O. irroratus is therefore warranted by this study. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die suider Afrikaanse vlei rot, Otomys irroratus word gekenmerk deur fenotipiese konservatisme regoor die spesie se verspreiding en het groot chromosomale variasie met diploied chromosoom getalle wat reeks vanaf 2n = 23 tot 2n = 32. Hierdie variasie binne O. irroratus het gelei tot die beskrywing van drie chromosomale groupe naamlik die A sitotipe wat gekenmerk word deur 'n akrosentriese komplement. Die tweede groep wat die B sitotipe genoem word besit ten minste agt chromosoom pare met heterokromatiese kort arms, onderwyl die derde group (die C sitotipe) vier chromosoom pare het met heterokromatiese kort arms. Hierdie studie bestudeer die bevolkings genetika struktuur van O. irroratus deur 102 monsters te analiseer wat gekollekteer was regoor die spesie se verspreiding binne Suid-Afrika en die mitochondriale merker sitokroom b sowel as chromosoom fluoressent hibridisasie te gebruik. Ek het 55 monsters van sewe lokaliteite binne Suid-Afrika sitogeneties geanaliseer deur gebruik te maak van G- en C-bandbepaling asook die hibridisasie patrone geproduseer deur die vloeisorteerde chromosoome van Myotomys unisulcatus. Die analise het gewys dat 47% van die monsters perisentromeriese inversies besit het, wat slegs aangetref was of die outosome OIR1, OIR4, OIR6 en OIR10. Hierdie inversies was nooit almal teenwoordig binne dieselfde monster nie en was gevind in beide heterosigotiese en homosigotiese vorm. Die inversies kom ook voor oor 'n wye verspreiding wat daarop aandui dat dit swerwende polymorfisme is. Omdat inversies lei tot die produksie van aneuploiede gamete speel hulle 'n belangrike rol in post-parings reproduktiewe isolasie, die verskyning van swerwende inversies binne vlei rotte dui dus daarop dat hulle onderhou word binne populasie verband deur die onderdrukking van rekombinasie in die gedeeltes van die chromosoom. Verdere verskille tussen populasies behels die voorkoms of afwesigheid van heterochromatiese kort arms wat (nie inversies) wat lei tot die variasies in die Nfa (40 – 49). Die variasie in diploied getal (2n = 28 – 32) is eksklusief as gevolg van B chromosoome. Ag-NOR banding het ook gewys dat daar twee evolusionêre lyne binne O. irroratus voorkom. Verder het filogenetiese analise van al die monsters verkryg deur volgorde-bepaling met behulp van maksimale parsimonie en Bayesian afleiding twee klades geidentifiseer. Klade A diere kom voor in die Wes en Oos-Kaap provinsies van Suid-Afrika terwyl klade B diere voorkom in die Oos-Kaap, Vrystaat, KwaZulu-Natal, Noord-Kaap en Mpumalanga provinsies onderskeidelik van Suid-Afrika. Die gemiddelde volgorde-bepalings verskille beloop 7% tussen die twee hoof klades (A en B) en tussen sub-klades 4.8%, terwyl binne klade A die verskille slegs 1.91% beloop het. Analise van die verwantskap tussen die klades het gewys dat allopatriese fragmentasie heel waarskynlik gelei het tot die populasie genetiese struktuur binne O. irroratus. Chromosoom karakters onderskraag die twee evolusionêre lyne waar klade A slegs perisentriese inversies besit wat swerwend wat ontbreek in klade B. Klade B op sy beurt besit 'n komplekse tandemme fusie wat glad nie voorkom in klade A nie. Molekulêre datering het verder gewys dat die twee klades omtrent 1.1 miljoen jaar gelede versprei het, wat ooreenstem met die klimaats veranderinge wat sedert die Peioceen en Pleistoceen plaasgevind het. Klade vorming binne die spesies komples kan daarom as gevolg van habitat fragmentasie plaasgevind het. Hierdie studie dus noodsaak 'n volle taksonomiese ondersoek van O. irroratus ten einde vas te stel hoeveel spesies binne die komplex voorkom.

Une réponse rapide et adaptée est nécessaire à la survie des cellules soumises à un stress. La réponse cellulaire au stress (HSR pour Heat-Shock response) médié par le facteur de transcription HSF1 est induite par les contextes environnementaux (chaleur, hypoxie, …) et les processus biologiques normaux et pathologiques (vieillissement, inflammation, …) associés à une accumulation de protéines endommagées (Morimoto, 1998). Ces protéines endommagées forment des agrégats toxiques aux conséquences létales pour les cellules.Conservé chez tous les eucaryotes, HSF1 orchestre les actions nécessaires à la survie et à la croissance des cellules malgré le stress. Ses cibles les mieux connues sont les gènes codants pour les Heat Shock Protein (HSP) qui font office de chaperon moléculaire. Une caractéristique de la HSR chez l’Homme est l’accumulation massive du facteur HSF1 en foyers nucléaires nommés Nuclear Stress Bodies (nSBs). Curieusement, ces foyers ciblent l’hétérochromatine péricentrique composée de séquences répétées en tandem de type Satellite III (SATIII), particulièrement au niveau du locus 9q12. HSF1 induit une forte transcription en ARN SATIII Sens (Jolly et al., 2004). Le rôle des nSBs est une des problématiques majeures de notre équipe cependant jusqu’à présent aucune fonction n’a été confirmée pour ces structures.Les nSBs, spécifiques aux cellules humaines, n’ont été décrits que dans des cellules en culture. Mon projet de thèse a consisté dans un premier temps à montrer la présence des nSBs in vivo chez l’Homme. Cette étude, réalisée sur du tissu testiculaire nous a également permis d’identifier une nouvelle cible SATIII majeure pour HSF1, la région Yq12. Dans les testicules, les nSBs sont associés à des processus méiotiques et post-méiotiques, suggérant un rôle dans le remodelage de l’hétérochromatine. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à mieux comprendre le rôle des nSBs lors de la HSR. Nous avons pu montrer que l’étape de transcription des SATIII induit une déstabilisation de l’hétérochromatine péricentrique caractérisée par une dissociation des facteurs HP1 (Heterochromatin Protein 1) alpha et beta et une perte de la marque répressive H3K9me3. Au cours de la période de récupération qui accompagne la reformation de l’hétérochromatine, une transcription séquentielle d’ARN SATIII Sens puis Anti-sens précède la restructuration des loci 9q12. Nous avons également pu montrer que la transcription des SATIII est associée à un blocage de la mitose. Nous montrons que dans les cellules stressées, une altération de ce point de contrôle par un Knock down des ARN sat III par des approches LNA conduisent à une l’instabilité génomique des cellules tumorales avec apparition de cellules polynucléées. / A rapid and well-adapted response is required for cell survival upon stress. The cellular stress response (HSR) is mediated by the transcription factor Heat Shock Factor 1 (HSF1) (Morimoto, 1998). It is activated by environmental stress (heat, hypoxia, ...) and by a series of patho-physiological contexts (aging, inflammation, ...) involving protein damages.The best-characterized targets of HSF1 are genes encoding for Heat Shock Protein (HSP) acting as molecular chaperone. A specific feature of the HSR in human cells is the presence of HSF1 nuclear foci named Nuclear Stress Bodies (NSBs). Surprisingly, nSBs target pericentric heterochromatin consisting in tandem repeats of type III Satellite (SATIII) sequences, primarily at the 9q12 locus. HSF1 triggers a strong transcriptional activation of this locus (Jolly et al., 2004). The role of nSBS is a major issue since no function related to these structures has been reported so far.So far, nSBs have been only identified in cells in culture. My thesis project has been to further explore whether these structures also existed in normal tissues. Indeed, we have been able to identify the presence of nSBs in testis where they were found to be associated to meiotic and post-meiotic stages, suggesting a role related to heterochromatin remodeling. Moreover, we have identified the Yq12 locus as a new target of nSBs in these tissues. Secondly, we have brought new evidence that sat III sequences triggers a transient dissociation of HP1 (heterochromatin Protein 1) α and β as well as a loss of the repressive epigenetic H3K9me3 histone mark at pericentric heterochromatin. Interestingly we have also found that, following stress, a sequential accumulation of SATIII RNA in a Sense and Antisense orientation occurs, suggesting that this specific pattern of expression plays an important role in heterochromatin reformation. Finally, we have found that the accumulation of SATIII RNA is associated with a slowdown of mitosis. Indeed we have found that in stressed cells, accumulation of sat III impcats the progression of mitosis and that a knock down of sat III RNA using LNA approaches releases this blockade, leading to genomic instability of tumor cells and to the appearance of poly nucleated cells.

Nous avons identifié une association poly(ADP-ribose) (PAR)-dépendante entre PARP1 et UHRF1. UHRF1 est PARylé par PARP1 et lie le PAR de façon non covalente. L’absence de PARP1 (i) perturbe l’association de UHRF1 et DNMT1, (ii) induit une ubiquitination excessive de DNMT1 par UHRF1 favorisant sa dégradation au cours du cycle, (iii) favorise la transcription des régions de l’hétérochromatine péricentrique (pHC) (iv) et perturbe la localisation de la marque répressive H4K20me3 au niveau des foyers de l’pHC. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le rôle de l’association KAP1-HP1 dans la réponse cellulaire aux dommages. L’interaction entre ces deux partenaires est essentielle pour le recrutement de KAP1 sur les sites de cassures. Après induction de cassures, l’absence d’interaction induit un délai dans la réparation des cassures double-brins et une diminution de la survie cellulaire. Une analyse détaillée suggère une déficience du mécanisme de réparation par recombinaison homologue. / We identified a poly(ADP-ribose) (PAR)-dependent interaction between PARP1 and UHRF1. UHRF1 is PARylated by PARP1 and binds PAR in a non-covalent way. The absence of PARP1 (i) impairs the UHRF1/DNMT1 interaction, (ii) induces excessive UHRF1-mediated ubiquitination of DNMT1 promoting its degradation during the cell cycle, (iii) increases the transcription of pericentric heterochromatin (pHC) regions (iv) and impairs the localization of the repressive histone mark H4K20me3 on pHC. In a second project we studied the role of the KAP1/HP1 interaction in response to DNA damage. The interaction between the two partners is essential for KAP1 recruitment to DNA damage sites. The absence of the interaction, after damage, induces a delay of the double strand break repair kinetics and decreases the cell survival rate. A more detailed analysis suggests a deficiency of the homologous recombination repair pathway.

Afin d'étudier la formation de l'hétérochromatine dans l’embryon préimplantatoire de souris, je me suis concentrée sur deux régions génétiques différentes - répétitions péricentriques et L1 éléments transposables - dans le but notamment de découvrir les mécanismes qui conduisent à la répression et le rôle distinct qu’ils peuvent jouer pendant le processus de développement et la division cellulaire. Mes expériences montrent que l’organisation spatiale spécifique des domaines péricentriques est essentielle pour leur répression ainsi que pour leur organisation correcte. De plus, mes résultats suggèrent que les défauts d’organisation de l’hétérochromatine conduisent à des défauts de division cellulaire et de prolifération. La seconde partie de ma thèse montre que la réglementation stricte de L1 éléments transposables est nécessaire pour le développement préimplantatoire d'embryons de souris. En outre, représente la première tentative pour élucider la biologie des éléments L1 dans l’embryon précoce de souris par l’utilisation de modificateurs de transcription ciblés spécifiquement. / To study the formation of heterochromatin in mouse preimplantation embryo, I focused on two different genetic regions – pericentric repeats and L1 transposable elements - in order to investigate the mechanisms that lead to their repression and the distinct role that these regions can play during the process of development and cell division. My experiments show that the specific spatial organization of pericentric domains is essential for their repression and for their correct organization. Moreover, my findings suggest that defects in organization of heterochromatin lead to improper cell division and proliferation. The second part of my thesis shows that the tight regulation of L1 transposable elements is required for the preimplantation development of mouse embryos. Additionally, it is the first attempt to elucidate the biology of L1 elements in the early mouse embryo through the use of targeted transcription modifiers.