Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous avons développé deux méthodes originales de synthèse de cyclopenténones fonctionnalisées et découvert de nouveaux réarrangements d’alcools 1-styryl propargyliques catalysés par des acides.Ce travail de thèse a aussi permis de mettre en évidence les limitations d’une méthode de synthèse des flavaglines développée par des chercheurs de la compagnie Bayer. De plus, la resynthèse de certaines flavaglines et la synthèse d’une sonde de fluorescence originale ont permis de mieux caractériser le mode d’action et le potentiel thérapeutique des flavaglines pour leurs effets anticancéreux (notamment dans la résistance aux inhibiteurs de B-RAF), la régulation du canal TRPM6 et l’infection par le virus du Chikungunya. / We have developed two novel methods to prepare functionalized cyclopentenones and also discovered new acid-catalyzed rearrangements of 1-styryl propargylic alcohols. This work also explored the limitations of a method for the synthesis of flavaglines reported by Bayer researchers. Moreover, the re-synthesis of some flavaglines and the synthesis of an original fluorescence probe allowed some advances in the characterization of the mechanism of action and therapeutic potential of flavaglines for their anti-cancer effects (especially in the resistance to B6RAF inhibitors), the regulation of TRPM6 channel and the infection by Chikungunya virus.

Chez le cilié Paramecium tetraurelia, la différentiation du génome somatique à partir du génome germinal est caractérisée par la délétion massive et reproductible d'éléments transposables et de 45 000 courtes séquences en copie unique dispersées sur l'ensemble du génome. Des petits ARN non codants produits par la lignée germinale, les scanARN, sont impliqués dans la régulation épigénétique des délétions d'ADN mais les mécanismes sous-jacents sont peu compris. Nous avons montré que la triméthylation de H3 (H3K27me3 et H3K9me3) présente une localisation dynamique pendant le développement du noyau somatique qui est altérée si l'endonucléase requise pour les événements d'élimination d'ADN est déplétée. Nous avons identifié une histone méthyltransférase, Ezl1p, nécessaire à la méthylation de H3 et requise pour les réarrangements du génome. Des analyses à l'échelle du génome entier ont montré que Ezl1p et les scanARN sont nécessaires à l'élimination des longues séquences germinales répétées tandis que les courtes séquences uniques présentent des sensibilités différentes à la déplétion de ces facteurs. Des déterminants cis tels que la longueur de l'ADN à éliminer peuvent contribuer à définir les séquences délétées. Dans une seconde étude, nous avons montré que chez Paramecium, la fonction centromérique est restreinte aux chromosomes germinaux. Un processus d'inactivation des centromères se produit pendant le développement du noyau somatique. L'endonucléase requise pour la délétion des séquences germinales est nécessaire pour l'inactivation des centromères suggérant fortement que l'inactivation des centromères germinaux repose sur l'élimination physique de l'ADN centromérique. / In the ciliate Paramecium tetraurelia, differentiation of the somatic genome from the germline genome is characterized by massive and reproducible deletion of transposable elements and of 45,000 short, dispersed, single-copy sequences. A specific class of small RNAs produced by the germline during meiosis, the scnRNAs, are involved in the epigenetic regulation of DNA deletion but the underlying mechanisms are poorly understood. We showed that trimethylation of histone H3 (H3K27me3 and H3K9me3) displays a dynamic nuclear localization that is altered when the endonuclease required for DNA elimination is depleted. We identified the histone methyltransferase Ezl1p responsible for H3 methylations establishment and showed that it is required for correct genome rearrangements. Genome-wide analyses showed that scnRNA-mediated H3 methylation is necessary for the elimination of long, repeated germline DNA, while single copy sequences display differential sensitivity to depletion of the scnRNA pathway or Ezl1p. Our study reveals cis acting determinants such as DNA length that may contribute to define the deleted germline sequences. In a second study, we showed that in Paramecium cells, the centromeric function is restricted to the germline chromosomes. A process of centromere inactivation occurs during the development of the somatic lineage, concomitantly with the events of DNA elimination. Our genetic analyses show that the endonuclease required for DNA elimination and Ezl1p but not the scnRNA are necessary for centromere inactivation. Our data strongly suggest that centromere inactivation relies on the physical elimination of the centromeric sequences from the somatic genome.

Les phénomènes évolutifs qui perturbent l’organisation des gènes dans les génomes eucaryotes sont de deux types : les changements dans l’ordre des gènes, ou réarrangements, et les modifications du contenu en gènes du génome, par duplications, délétions ou gains de gènes. Ces processus sont mal connus, tant au niveau de leurs mécanismes d’apparition que de leur impact fonctionnel et sélectif. Ce travail de thèse s’articule autour de deux projets. Le premier s’intéresse à la distribution des points de cassure de réarrangements évolutifs entre un génome ancestral et ses descendants modernes. Cette distribution a été modélisée en fonction des caractéristiques locales du génome pour mettre en évidence quels facteurs influencent la probabilité de cassure. Nos résultats montrent que la distribution des cassures peut s’expliquer simplement comme une fonction de la longueur des espaces intergéniques, fonction qui est cependant non-linéaire contrairement aux attentes sous un régime aléatoire classique. La répartition des points de cassure dans les génomes semble principalement liée à des propriétés de structure, et n’est que peu soumise à des contraintes de sélection. Elle pourrait être liée à la structure chromatinienne du génome. Le second projet s’inscrit dans le cadre du séquençage du génome du poisson zèbre, et fournit un aperçu global de l’organisation de ce génome. Les génomes de poissons téléostéens sont anciennement dupliqués : l’analyse est axée sur les conséquences de cette duplication. Les résultats montrent que le génome du poisson zèbre présente une organisation assez typique d’un génome téléostéen. Les gènes retenus en deux copies après la duplication du génome appartiennent à des catégories fonctionnelles particulières, et sont biaisés vers des gènes déjà conservés après les duplications 1R et 2R ayant eu lieu au début de l’histoire des vertébrés. / Evolutionary processes disrupting the gene organisation in eukaryotic genomes belong to two categories: changes in the order of the genes, known as rearrangements, and changes in the content of the genome by gene duplications, deletions and gains. The mechanisms through which these events arise, and their functional and selective impact on genomes, are poorly understood. This thesis covers two different projects. Firstly, we investigated the distribution of rearrangement breakpoints between an ancestral genome and its modern descendants. This distribution was modelled according to local genomic characteristics to highlight factors influencing the breakage process. Our results show that the distribution of breakpoints can be simply explained as a function of intergenic spacers length, although in a non-linear fashion differing from classical random expectations. The repartition of breakpoints in genomes seems to be linked to structural properties, and is only marginally affected by selective constraints. It might in fact reflect local chromatin structure in the genome. The second project is part of the joint sequencing effort for the zebrafish genome, and provides an overview of the organisation of this genome. Teleost fish genomes are anciently duplicated: the analysis focuses on the consequences of this duplication. Results show that the zebrafish genome displays a typical teleost fish genome organisation. Genes retained in two copies after the whole genome duplication belong to specific functional categories, and are biased towards genes already conserved as duplicates after the 1R and 2R duplication events that have taken place early in vertebrate history.

Chez les eucaryotes, le génome est organisé en chromatine, une structure nucléoprotéique essentielle pour la régulation de l’expression génique ainsi que pour le maintien de la stabilité du génome. Les ciliés sont d’excellents organismes modèles pour étudier les mécanismes généraux qui maintiennent l’intégrité du génomes eucaryote. Chez Paramecium tetraurelia, la différentiation du génome somatique à partir du génome germinal est caractérisée par des événements massifs et reproductibles d’élimination d’ADN. D’une part, des éléments répétés (transposons,régions minisatellites), de plusieurs kilobases de long, sont imprécisément éliminés.D’autre part, 45000 séquences courtes et uniques, appelées IES, sont précisément éliminées au nucléotide près. Une classe de petits ARN, appelé scnRNAs, est impliquée dans la régulation epigénétique de l’élimination d’ADN, mais comment les scnRNA contrôlent l’élimination d’ADN reste mystérieux. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle une organisation particulière de la chromatine, en particulier des modifications post-traductionelles des histones associées à des formes répressives de la chromatine, est impliquée dans le processus d’élimination d’ADN. Nous avons montré que la triméthylation de l’histone H3 sur la lysine 9 et la lysine 27 (H3K9me3 et H3K27me3)apparaît transitoirement dans le noyau somatique en développement au moment où se produisent les événements d’élimination d’ADN. Nous avons identifié la protéine de type Polycomb, Ezl1, et montré qu’elle est une histone methyltransferase qui présente une dualité de substrat et catalyse à la fois la mise en place de K9me3 et K27me3 sur l’histone H3. Nous avons montré que la déposition de H3K9me3 et H3K27me3 dans le noyau en développement requiert les scnRNAs. Des analyses de séquençage haut débit ont montré que Ezl1 est requise pour l’élimination des longues séquences répétées germinales, suggérant que les scnRNA guident la déposition des marques d’histones au niveau de ces séquences. Au contraire des régions répétées du génome, les IES montrent une sensibilité différente aux scnRNAs et à Ezl1, suggérant que plusieurs voies partiellement chevauchantes sont impliquées dans leur élimination. Notre étude montre que des caractéristiques intrinsèques des séquences d’ADN, telles que leur taille, peut contribuer à la définition des séquences germinales à éliminer. De manière intéressante, nous avons aussi montré que Ezl1 est requise pour la répression transcriptionnelle des éléments transposables. Nous suggérons que les voies H3K9me3et H3K27me3 coopèrent et contribuent à préserver le génome somatique de Paramecium des parasites génomiques. / Eukaryotic genomes are organized into chromatin, a complex nucleoprotein structureessential for the regulation of gene expression and for maintaining genome stability.Ciliates provide excellent model organisms with which to gain better understandinginto the regulation of genome stability in eukaryotes. In the ciliate Parameciumtetraurelia, differentiation of the somatic genome from the germline genome ischaracterized by massive and reproducible programmed DNA elimination events. Longregions of several kilobases in length, containing repeated sequences and transposableelements are imprecisely eliminated, whereas 45,000 short, dispersed, single-copyInternal Eliminated Sequences (IESs) are precisely excised at the nucleotide level. Aspecific class of small RNAs, called scnRNAs, is involved in the epigenetic regulation ofDNA deletion. How scnRNAs may guide DNA elimination in Paramecium remains tobe discovered. Here, we investigated whether chromatin structure, in particular histonepost-translational modifications known to be associated with repressive chromatin,might control DNA elimination. We showed that trimethylated lysine 9 and 27 onhistone H3 (H3K9me3 and H3K27me3) appear in the developing somaticmacronucleus when DNA elimination occurs. We identified the Polycomb-groupprotein, Ezl1, and showed that it is a dual histone methyltransferase that catalyzes bothH3K9me3 and H3K27me3 in vitro and in vivo. Genome-wide analyses show thatscnRNA-mediated H3K9me3 and H3K27me3 deposition is necessary for theelimination of long, repeated germline DNA. Conversely, single copy IESs displaydifferential sensitivity to depletion of scnRNAs and Ezl1, unveiling the existence ofpartially overlapping pathways in programmed DNA elimination. Our study revealsthat cis-acting determinants, such as DNA length, also contribute to the definition ofgermline sequences to delete. We further showed that Ezl1 is required fortranscriptional repression of transposable elements. We suggest that H3K9me3 andH3K27me3 pathways cooperate and contribute to safeguard the Paramecium somaticgenome against intragenomic parasites.

Les phénomènes évolutifs qui perturbent l'organisation des gènes dans les génomes eucaryotes sont de deux types : les changements dans l'ordre des gènes, ou réarrangements, et les modifications du contenu en gènes du génome, par duplications, délétions ou gains de gènes. Ces processus sont mal connus, tant au niveau de leurs mécanismes d'apparition que de leur impact fonctionnel et sélectif. Ce travail de thèse s'articule autour de deux projets. Le premier s'intéresse à la distribution des points de cassure de réarrangements évolutifs entre un génome ancestral et ses descendants modernes. Cette distribution a été modélisée en fonction des caractéristiques locales du génome pour mettre en évidence quels facteurs influencent la probabilité de cassure. Nos résultats montrent que la distribution des cassures peut s'expliquer simplement comme une fonction de la longueur des espaces intergéniques, fonction qui est cependant non-linéaire contrairement aux attentes sous un régime aléatoire classique. La répartition des points de cassure dans les génomes semble principalement liée à des propriétés de structure, et n'est que peu soumise à des contraintes de sélection. Elle pourrait être liée à la structure chromatinienne du génome. Le second projet s'inscrit dans le cadre du séquençage du génome du poisson zèbre, et fournit un aperçu global de l'organisation de ce génome. Les génomes de poissons téléostéens sont anciennement dupliqués : l'analyse est axée sur les conséquences de cette duplication. Les résultats montrent que le génome du poisson zèbre présente une organisation assez typique d'un génome téléostéen. Les gènes retenus en deux copies après la duplication du génome appartiennent à des catégories fonctionnelles particulières, et sont biaisés vers des gènes déjà conservés après les duplications 1R et 2R ayant eu lieu au début de l'histoire des vertébrés.

Les génomes peuvent être vus de manière simplifiée comme des suites de gènes, objets codants pour la production de protéines. De la même manière que les caractères physiques des êtres vivants évoluent au cours du temps, les caractères physiques des génomes évoluent également. Il s'agit alors de comprendre cette évolution à travers l'organisation des gènes sur le génome. Le problème peut être abordé sous un angle dynamique où l'on retrace les événements ayant permis les modifications, ou sous un angle statique en observant la localisation et le regroupement des gènes. D'autres part, les gènes nécessitent pour s'exprimer - se transformer en protéine - d'être d'abord transcrits en ARN. Le mécanisme de contrôle de la transcription fait appel, entre autres, à des protéines qui viennent se fixer en amont du gène, sur l'ADN, en reconnaissant de courts motifs. Une tâche récurrente, précédant toute autre analyse, est de trouver les occurrences de ces motifs qui ont la particularité d'être courts et particulièrement dégénérés. Nous retraçons le travail réalisé autour de ces deux problématiques biologiques : l'évolution de la structure des génomes et la localisation des motifs de fixation. Les méthodes mises en œuvre relèvent de l'algorithmique discrète sur les permutations pour la première partie et sur les mots pour la seconde.

Les cyclopropanes sont rencontrés dans de nombreux produits naturels ou synthétiques bioactifs. Les travaux exposés dans ce manuscrit portent sur le développement de réarrangements sigmatropiques [3,3] impliquant des dérivés de cyclopropénylcarbinols pour accéder à des alkylidènecyclopropanes fonctionnalisés, précurseurs de cyclopropanes diversement substitués. Le réarrangement des cyanates de cyclopropénylcarbinyle a permis d'obtenir des dérivés N-acylés d'alkylidène(aminocyclopropanes). Une méthode efficace et stéréosélective, impliquant le réarrangement d'Ireland-Claisen des glycolates et glycinates de cyclopropénylcarbinyle, a également été mise au point pour synthétiser des alkylidènecyclopropanes possédant un motif α-hydroxy ou α-amino acide. Le champ d'application de ce réarrangement a été étendu avec succès à des gem-difluorocyclopropènes. L'hydrogénation diastéréosélective des alkylidènecyclopropanes diversement substitués issus de ces rérrangements sigmatropiques a ensuite permis d'obtenir des cyclopropanes fonctionnalisés. / The cyclopropane ring is ubiquitous in natural and biologically active compounds. [3,3]-Sigmatropic rearrangements of cyclopropenylcarbinol derivatives have been developed to access functionalized alkylidenecyclopropanes, which are useful precursors of diversely substituted cyclopropanes. We have shown that the rearrangement of cyclopropenylcarbinyl cyanates could be accomplished under mild conditions to obtain N-acyl alkylidene(aminocyclopropanes). The Ireland–Claisen rearrangement of glycolates or glycinates derived from secondary cyclopropenylcarbinols has been developed as an efficient and stereoselective method for the synthesis of alkylidenecyclopropanes possessing an α-hydroxy or α-amino acid moiety. The scope of this transformation was successfully extended to gem-difluorocyclopropenes. The alkylidenecyclopropanes resulting from these latter sigmatropic rearrangements are valuable precursors of substituted cyclopropanes by diastereoselective hydrogenation of the exocyclic olefin.

L'évolution des génomes peut être observée à plusieurs échelles, chaque échelle révélant des processus évolutifs différents. A l'échelle de séquences ADN, il s'agit d'insertions, délétions et substitutions de nucléotides. Si l'on s'intéresse aux gènes composant les génomes, il s'agit de duplications, pertes et transferts horizontaux de gènes. Et à plus large échelle, on observe des réarrangements chromosomiques modifiant l'agencement des gènes sur les chromosomes. Reconstruire l'histoire évolutive des génomes implique donc de comprendre et de modéliser tous les processus à l'œuvre, ce qui reste hors de notre portée. A la place, les efforts de modélisation ont exploré deux directions principales. D'un côté, les méthodes de reconstruction phylogénétique se sont concentrées sur l'évolution des séquences, certaines intégrant l'évolution des familles de gènes. D'un autre côté, les réarrangements chromosomiques ont été très largement étudiés, donnant naissance à de nombreux modèles d'évolution de l'architecture des génomes. Ces deux voies de modélisation se sont rarement rencontrées jusqu'à récemment. Au cours de ma thèse, j'ai développé un modèle d'évolution de l'architecture des génomes prenant en compte l'évolution des gènes et des séquences. Ce modèle rend possible une reconstruction probabiliste de l'histoire évolutive d'adjacences et de l'ordre des gènes de génomes ancestraux en tenant compte à la fois d'évènements modifiant le contenu en gènes des génomes (duplications et pertes de gènes), et d'évènements modifiant l'architecture des génomes (les réarrangements chromosomiques). Intégrer l'information phylogénétique à la reconstruction d'ordres des gènes permet de reconstruire des histoires évolutives plus complètes. Inversement, la reconstruction d'ordres des gènes ancestraux peut aussi apporter une information complémentaire à la phylogénie et peut être utilisée comme un critère pour évaluer la qualité d'arbres de gènes, ouvrant la voie à un modèle et une reconstruction intégrative / Genomes evolve through processes that modify their content and organization at different scales, ranging from the substitution, insertion or deletion of a single nucleotide to the duplication, loss or transfer of a gene and to large scale chromosomal rearrangements. Extant genomes are the result of a combination of many such processes, which makes it difficult to reconstruct the overall picture of genome evolution. As a result, most models and methods focus on one scale and use only one kind of data, such as gene orders or sequence alignments. Most phylogenetic reconstruction methods focus on the evolution of sequences. Recently, some of these methods have been extended to integrate gene family evolution. Chromosomal rearrangements have also been extensively studied, leading to the development of many models for the evolution of the architecture of genomes. These two ways to model genome evolution have not exchanged much so far, mainly because of computational issues. In this thesis, I present a new model of evolution for the architecture of genomes that accounts for the evolution of gene families. With this model, one can reconstruct the evolutionary history of gene adjacencies and gene order accounting for events that modify the gene content of genomes (duplications and losses of genes) and for events that modify the architecture of genomes (chromosomal rearrangements). Integrating these two types of information in a single model yields more accurate evolutionary histories. Moreover, we show that reconstructing ancestral gene orders can provide feedback on the quality of gene trees thus paving the way for an integrative model and reconstruction method

Au cours du développement des lymphocytes B, le locus des chaînes lourdes des immunoglobulines (IgH) subit deux types de réarrangements intra-géniques : 1) La recombinaison V(D)J qui se produit aux stades précoces du développement lymphocytaire et qui cible les régions variables du locus, et 2) la commutation de classe initiée à un stade plus tardif du développement et qui permet aux cellules B d'acquérir de nouvelles fonctions effectrices suite au changement des domaines constants des Ig. Ces deux processus contribuent à la grande diversité du répertoire des anticorps, à la spécificité et à la vigueur de la réponse immunitaire. Durant ces deux processus, la transcription des gènes des Ig, appelée transcription germinale, a un rôle essentiel. Elle est une des clés de l'accessibilité de la chromatine aux enzymes nécessaires à l'initiation des recombinaisons. La transcription germinale est régulée par des éléments cis-régulateurs qui effectuent leur fonction à de longues distances au sein du locus IgH. Parmi ces éléments, la région de contrôle du locus appelée 3'RR (3' regulatory region) est un élément majeur de contrôle de l'expression du locus IgH aux stades tardifs du développement B. Cependant, son rôle aux stades précoces du développement était inconnu. Mon travail de thèse a visé à mieux comprendre la fonction de la 3'RR tout au long du développement des lymphocytes B avec une attention particulière aux stades précoces. Dans une première étude, nous avons analysé le rôle de la 3'RR dans la transcription germinale associée à la recombinaison V(D)J en utilisant une lignée murine dépourvue de la 3'RR. Nous avons d'abord mis au point une technique de PCR quantitative en temps réel afin de quantifier les réarrangements V(D)J. Nous avons ensuite montré que la 3'RR avait en fait une activité répressive sur la transcription sens et anti-sens du domaine variable du locus IgH, et que la transition d'un effet silencer à un effet activateur corrélait avec l'achèvement des réarrangements V(D)J. Dans une deuxième étude, nous nous sommes intéressés à l'effet de la 3'RR sur les promoteurs des gènes constants en utilisant deux modèles murins portant des mutations à des sites stratégiques du locus IgH. L'analyse phénotypique et moléculaire des deux modèles nous a permis de montrer que la 3'RR établissait un domaine transcriptionnellement actif dès les stades précoces du développement. Cependant, l'effet activateur de la 3'RR sur ses promoteurs cibles était bloqué à ces stades par un site de fixation du facteur architectural CTCF. La délétion de ce site ou l'insertion d'un promoteur dans le domaine transcriptionnel de la 3'RR délimité par le site CTCF, aboutissent à une activation prématurée et différentielle des promoteurs cibles. Mes travaux de thèse ont permis de définir, pour la première fois, la fonction de la 3'RR aux stades précoces du développement B, indépendants de l'activation antigénique, et de révéler des mécanismes développementaux plus complexes que la simple induction de la 3'RR initiée par la rencontre de la cellule B avec l'antigène. / During B cell development, the immunoglobulin heavy chain (IgH) locus undergoes two types of intragenic rearrangements: 1) V(D)J recombination at early stages of B cell development which targets the variable region of the locus, and 2) class switch recombination at the mature B cell stage which enables B cells to acquire novel effector functions upon a change of the constant domain of Ig molecules. Both processes contribute to the wide diversity of antibody repertoire, and to the specificity and robustness of an immune response. Transcription of recombining genes is associated with V(D)J recombination and classswitching. This transcription, called germline transcription, plays a key role in the accessibility of the chromatin of target sequences to the enzymes required for the initiation of recombination. Germline transcription is regulated by cis-acting elements that often act at long distances within the locus. Among these long-range elements, a locus control region called the 3' regulatory region (3'RR) is known to play a major role in IgH locus expression at late stages of B cell development. However, its role at early stages is unknown.The main objective of my PhD work was to contribute to a better understanding of the function of the 3'RR throughout B cell development, with a special focus on early stages. In a first study, we analyzed the role of the 3'RR in the regulation of germline transcription associated with V(D)J recombination by using a mouse line devoid of the 3'RR. We first set up a sensitive real-time PCR to quantify V(D)J recombination. We then went on to show that in fact, the 3'RR mediated a transcriptional silencing activity on both sense and antisense transcription along the variable region of the IgH locus, and that the switch off of this silencing activity correlated with the completion of V(D)J recombination, after which the 3'RR became a transcriptional enhancer. In a second study, we investigated the effect of the 3'RR on germline promoters of the constant genes by using two murine models bearing specific mutations at strategic sites of the IgH locus. Phenotypic and molecular analyses of the two models enabled us to show that the 3'RR establishes a transcriptionally active domain at early stages of B cell development, upon completion of V(D)J recombination. Nonetheless, the activating effect of the 3'RR on constant genes at early stages is insulated by the architectural factor CTCF. Deletion of this CTCFbinding site or insertion of a germline promoter within the 3'RR-mediated transcriptionally active domain, led to specific and premature activation of target germline promoters. My PhD work enabled us to elucidate for the first time the developmentally regulated function of the 3'RR at early stages of B cell development, prior to antigen challenge. It also revealed a more complex picture of the 3'RR function than the hitherto simple induction of the 3'RR upon encounter with antigen.