Mathematical modeling has been important in the study of biology. Two main challenges with modeling biological problems are the lack of quantitative data and the complexity of biological problems. With the invention of new techniques, like single molecule transcript counting, very quantitative gene expression measurements at the level of single transcript in individual cells can now be obtained. Biological systems are very complex, involving many reactions and players with unknown reaction rates. To reduce the complexity, scientists have often proposed simplified phenomenological models that are tractable and capture the main essence of the biological systems. These simplified models allow scientists to describe the behavior of biological systems with a few meaningful parameters. In this thesis, by integrating quantitative single-cell measurements with phenomenological modeling, we study the (1) roles of Wnt ligands and receptors in sensing and amplification in Caenorhabditis elegans’ P cells and (2) regulation of rDNA transcription in Saccharomyces cerevisiae. The initiation of cell polarity consists of two sequential processes: an external gradient is first sensed and then the resulting signal is amplified by intracellular signaling. It is challenging to determine the role of proteins towards sensing and amplification as these two processes are intertwined. We integrated quantitative single-cell measurements with phenomenological modeling to determine the roles of Wnt ligands and receptors in sensing and amplification in the P cells of Caenorhabditis elegans. By systematically exploring how P cell polarity is altered in Wnt ligand and receptor mutants, we inferred that ligands predominantly affect sensing, whereas receptors are needed for both sensing and amplification. Most eukaryotes contain many tandem repeats of ribosomal RNA genes of which only a subset is transcribed at any given time. Current biochemical methods allow for the determination of the fraction of transcribing repeats (ON) versus nontranscribing repeats (OFF) but do not provide any dynamical information. By using the single molecule transcript counting technique complemented with theoretical modeling, we determine the rate of switching from OFF to ON (activation rate) and the average number of RNA molecules produced during each transcriptional burst (burst size). We explore how these two variables change in mutants and different growth conditions.

Nous montrons dans cette étude que dans les cellules déplétées pour la nucléoline, une plus faible accumulation de pré-ARNr est associée à une augmentation de marques d’hétérochromatine (H3K9me2) et une diminution de marques d’euchromatine (H4K12ac et H3K4me3) sur la chromatine des gènes ribosomiques. Des expériences de ChIP-seq montrent que la nucléoline est enrichie dans la région codante et promotrice de l’ADNr et est préférentiellement associée avec les gènes non méthylés des ARNr. La déplétion de la nucléoline entraîne une accumulation de l’ARN Pol I au début de l’ADNr et une diminution de UBF sur la région codante et promotrice. La nucléoline interfère avec la liaison de TTF-1 sur le promoteur-proximal T0, inhibant ainsi le recrutement de TIP5 du complexe NoRC, et établissant un état d’hétérochromatine répressive. Ces résultats révèlent l’importance de la nucléoline dans le maintien d’un état euchromatinien des ADNr et dans l’élongation de la transcription. Nous montrons aussi dans cette thèse que l’acétylation est une nouvelle modification post-traductionnelle de la nucléoline. Des études d’immunofluorescence utilisant l’anticorps anti nucléoline acétylée montrent que la nucléoline acétylée est exclue des nucléoles. De plus, par ChIP-seq nous n’avons jamais pu détecter d’association significative de la nucléoline acétylée sur la chromatine des ADNr. Aussi, nous n’avons détecté aucune activation de la transcription de Pol II sur des matrices de chromatine avec la nucléoline acétylée. Nous trouvons une distribution de la nucléoline acétylée majoritairement dans le nucléoplasme où elle co-localise parfaitement avec le facteur d’épissage SC35, et partiellement avec les structures marquées avec un anticorps dirigé contre Y12, mais ne co-localise pas avec des structures contenant la coïline, ce qui suggère que cette fraction de la nucléoline pourrait être impliquée dans la synthèse ou le métabolisme des pré-ARNm. / Here we have shown that, in nucleolin depleted cells, lower accumulation of pre-rRNA is associated with the increase in heterochromatin marks (H3K9me2) and decrease of the euchromatin histone marks (H4K12Ac and H3K4me3) in rDNA chromatin. ChIP-seq experiments show that nucleolin is enriched in the coding and promoter region of the rDNA and is preferentially associated with the unmethylated rRNA genes. Nucleolin knockdown results in the accumulation of RNAPI at the beginning of the rDNA and a decrease of UBF in the coding and promoter regions. Nucleolin is able to interfere with the binding of TTF-1 on the promoter-proximal terminator T0 thus inhibiting the recruitment of the NoRC subunit TIP5 and HDAC1 and establishing a repressive heterochromatin state. These results reveal the importance of nucleolin in the maintenance of the euchromatin state of rDNA and transcription elongation.In this thesis we have also shown that acetylation is a novel post-translational modification of nucleolin. Immuno-fluorescence studies using anti-acetylated nucleolin antibody illustrated that acetylated nucleolin is excluded from nucleoli and interestingly, neither could we detect any significant binding of ac-nucleolin on rDNA chromatin by doing ChIP-Seq, nor did we detect any activation of Pol II transcription with ac-nucleolin from DNA and chromatin templates. Moreover, we found acetylated nucleolin had a predominant nucleoplasmic distribution where it associates with the splicing factor SC35 and partially with the structures labeled with Y12 antibody, but not with coilin containing structures.

La nucléoline, une des protéines non-ribosomique les plus abondantes du nucléole, semble être impliquée dans de nombreux aspects du métabolisme de l'ADN en plus de son rôle dans la régulation de la transcription par l'ARN polymérase I, la maturation du pré-ARNr et l’assemblage des ribosomes. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction de la nucléoline avec la chromatine, et de déchiffrer la fonction de la nucléoline dans la régulation de l’expression génique. Il a été rapporté que la nucléoline est nécessaire pour la transcription des gènes codant pour l'ADN ribosomal in vivo, mais le mécanisme par lequel la nucléoline module la transcription d’ARN polymérase I (Pol I) est inconnue. Dans cette thèse, je montre que l’inhibition de l’expression de la nucléoline par siRNAconduit dans les gènes de l’ADNr à une augmentation de la marque hétérochromatine et une diminution des marques caractéristiques de l’euchromatine. La nucléoline est associée à des gènes ADNr non méthylés et ChIP-seq montrent un fort enrichissement de la nucléoline dans le promoteur et la région codante de l'ADNr. La nucléoline est capable d'interférer avec la liaison de TTF-1 sur le terminateur T0 proches du promoteur inhibant ainsi le recrutement du sous-unité NoRC TIP5 et HDAC1 et la création d'un état répressif hétérochromatine. Cette invasion de macroH2A1 dans le nucléole joue un rôle majeur dans l'inhibition de la transcription par la RNA Polymérase I en l'absence de la nucléoline. Ces résultats révèlent l'importance de la nucléoline pour le maintien de l'état euchromatien de l'ADNr et le rôle de macroH2A1 dans la régulation de la transcription de l'ADNr. / Besides the well-known role of the nucleolus in ribosome biogenesis, nucleoli play important roles in the regulation of many fundamental cellular processes, including cell cycle regulation, apoptosis, telomerase production, RNA processing and therefore it is not surprising that many nucleolar proteins appear to be multifunctional proteins. Nucleolin, one of the most abundant non-ribosomal proteins of the nucleolus, has been the focus of many studies since it was first described 35 years ago. It seems to be involved in many aspects of DNA metabolism, chromatin regulation and appeared to be a good pharmacological target for drug development in addition to its role in RNA polymerase I transcription and pre-ribosomal processing and assembly in pre-ribosomes. In eukaryotic cells, DNA is packed into nucleosomes to form chromatin in the nucleus. The cells develop a variety of strategies to overcome the nucleosomal barriers. These strategies include DNA methylation, histone post-translational modifications, incorporation of histone variants and ATP dependent chromatin remodeling. The aim of this thesis is to study the interaction of nucleolin with chromatin, and to decipher the mechanism of nucleolin in gene regulation. It was reported that nucleolin possesses a histone chaperone activity, helps the transcription through nucleosomes, and it is required for ribosomal DNA gene (rDNA) transcription in vivo, but the mechanism by which nucleolin modulates RNA polymerase I (Pol I) transcription is unknown. In the thesis it is shown that nucleolin knockdown results in an increase of the heterochromatin mark H3K9me2 and a decrease of H4K12Ac and H3K4me3 euchromatin histone marks in rDNA genes. Nucleolin is associated with unmethylated rDNA genes and ChIP-seq experiments identified a strong enrichment of nucleolin in the promoter and coding regions of rDNA. Nucleolin is able to interfere with the binding of TTF-1 on the promoter-proximal terminator T0 thus inhibiting the recruitment of the nucleolar remodeling complex (NoRC) subunit TIP5 and HDAC1 and the establishment of a repressive heterochromatin state. In addition, in absence of nucleolin or after inhibition of Pol I by actinomycin D, a strong relocalization of the histone variant macroH2A1 to the nucleolus and on the rDNA genes was observed. This invasion of macroH2A1 in the nucleolus plays a major role in the inhibition of Pol I transcription in absence of nucleolin, as knockdown of macroH2A1 eliminates the repressive effect of nucleolin depletion. These results reveal the importance of nucleolin for the maintenance of the euchromatin state of rDNA required for an efficient production of ribosomal RNAs and the role of macroH2A1 in rDNA transcription.