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La chromatine sert de support à de multiples processus biologiques, cependant son organisation spatiale diffère fortement selon l'échelle considérée. L'expression des gènes est ainsi coordonnée par des éléments régulateurs dispersés dans le génome mais capables d'interagir entre eux. Chez les métazoaires, des expériences de capture de conformation de chromosome (3C) combinées au séquençage haut-débit (Hi-C) ont permis la découverte de domaines d'association topologique (TAD), à l'échelle de la mégabase. Puisque la résolution du Hi-C reste limitée, nous avons utilisé la 3C-qPCR pour explorer, dans des cellules souches embryonnaires murines, la dynamique chromatinienne à l'intérieur de ces domaines ainsi qu'à leurs bordures. Nous identifions ainsi une modulation des fréquences de contacts, sur quelques centaines de kilobases. Cette modulation est plus ou moins importante en fonction du contenu en gènes des domaines, mais elle semble néanmoins universelle. Des modèles dérivés de la physique des polymères permettent de décrire cette modulation sous la forme d'une hélice statistique, que la chromatine adopterait en moyenne et en l'absence d'interactions spécifiques, à l'intérieur des TAD. Cette hélice reflète certaines contraintes que la chromatine subit à l'échelle supranucléosomale. Elle est très affectée par les bordures, qui bloquent la modulation, mais elle l'est beaucoup moins par le contenu en histone de liaison H1. Par ailleurs, grâce à des résultats de Hi-C à haute résolution, nous montrons que la modulation observée chez les souris n'est pas retrouvée chez la drosophile, où les caractéristiques des TAD semblent avant tout liées au paysage épigénétique local. Pour ces deux organismes, la dynamique chromatinienne à l'intérieur des domaines est donc sous le contrôle de phénomènes différents / The chromatin hosts various biological processes. However, its organization differs considerably depending on the scale. For example, gene expression is coordinated by regulatory elements that are dispersed in the genome but that are able to interact within the tridimensional space of the nucleus. In the Metazoa, chromosome conformation capture (3C) assays combined with high-throughput sequencing (Hi-C) uncovered the existence of topologically associating domains (TADs), at the mégabase scale. Due to the limited resolution of Hi-C, we used the 3C-qPCR method to explore, in murine embryonic stem cells, the chromatin dynamics inside TADs as well as at their borders. We found that contact frequencies undergo a periodic modulation over large genomic distances (few hundred kilobases). This modulation is weaker in gene-deserts than in gene-containing domains but it seems nevertheless to be universal. Using models derived from polymer physics, we show that this modulation can be understood as a fundamental helix shape that chromatin tends to adopt statistically, when no strong locus-specific interaction takes place, within the TADs. This statistical helix reflects some constraints that the chromatin undergoes at the supranucleosomal scale. It is affected by TADs borders, which disrupt the modulation, but linker histone H1 depletion only leads to subtle changes in the helix characteristics. Furthermore, using high-resolution Hi-C data, we found that chromatin dynamics is unconstrained in Drosophila where it seems mainly linked to the local epigenetics landscape. Therefore, distinct genome organization principles govern chromatin dynamics within mouse and Drosophila topologically associating domains.

La relation entre le repliement du génome et les processus cellulaires majeurs, notamment la transcription, la réparation de l’ADN et la réplication est une question biologique centrale. De nouvelles méthodes de la génomique ont révélé un niveau inconnu de l’architecture tridimensionnelle de la chromatine. A l’échelle en dessous de la mégabase, certaines séquences génomiques se trouvent préférentiellement à proximité les unes des autres formant ainsi des domaines topologiques associés (TAD). Les gènes situés dans le même TAD ont des propriétés épigénétiques similaires, et leur expression au cours de la différentiation semble corrélée, ce qui suggère un lien fort entre la structure de la chromatine et la transcription. Les TADs sont à leur tour séparés par des régions avec peu de contacts, appelées frontières, qui sont généralement occupées par des protéines dites isolatrices. Les déterminants de cette organisation chromatinienne particulière et ses implications fonctionnelles sont largement méconnus. Selon une hypothèse récente, les TADs seraient formés par des contacts entre les séquences des frontières, stabilisés par la formation de boucles via les protéines isolatrices. Les travaux présentés ici ont pour but d’étudier le rôle des protéines isolatrices dans le mécanisme de formation des TADs chez la drosophile. La microscopie super-résolue a été implémentée et une série de développements ont été réalisés en microscopie à illumination structurée (SIM) et la microscopie à localisation de molécules uniques (SMLM), avec une attention particulière sur le marquage fluorescent. Ces développements ont directement été appliqués à l’étude de l’organisation nucléaire de la protéine associée aux éléments frontières (BEAF), une des 11 protéines isolatrices identifiées à ce jour chez la drosophile. Le fort enrichissement aux frontières des TADs, ainsi que son activité dans la formation de boucles d’ADN font de BEAF un candidat intéressant pour tester l’hypothèse de regroupement de frontières comme mécanisme général de repliement de la chromatine. La technique SMLM multi-couleurs a systématiquement localisé BEAF à la périphérie des larges domaines portant la marque épigénétique H3K27me3. L’analyse quantitative des images SMLM a révélé que BEAF forme des centaines de foyers d’une taille de 45 nm, composés en moyenne de 5 molécules, ce qui est en désaccord avec la présence de boucles de chromatine à large échelle. Afin de tester le regroupement de gènes directement au niveau de l’ADN, des frontières ont été marquées par des oligonucléotides fluorescents. Le nombre de foyers détectés par SIM s’est à nouveau révélé incompatible avec le modèle de contacts entre les frontières tout le long du génome. Par ailleurs, les distances entre paires de frontières au niveau de deux régions génomiques ont montré <5% de contacts. Ensemble, ces résultats sont en désaccord avec l’établissement d’interactions entre barrières chez la drosophile. Enfin, ces travaux de thèse ont contribué au développement méthodologique de la microscopie super-résolue, ce qui a permis d’apporter des preuves expérimentales invalidant le modèle de regroupement des frontières comme mécanisme général du repliement chromatinien. / The interplay between genome folding and key cellular functions such as transcription, DNA repair and replication is a fundamental question in chromatin biology. Recent genome-wide developments unveiled a new level of three-dimensional chromatin architecture. At the sub-megabase scale, some genome sequences are preferentially found in proximity with one another forming Topologically Associating Domains (TADs). Genes located within the same TAD display common epigenetic properties and tend to have coordinated dynamics of expression during differentiation, suggesting a strong link between chromatin structure and transcription. TADs are in turn separated by regions of low contact, termed TAD borders, which are generally occupied by factors called chromatin insulators. What are the determinants of this particular type of chromatin organization and what are the functional implications is still largely unknown. In an emerging hypothesis, TADs could be formed through contacts between TAD border sequences stabilized by the looping activity of insulator proteins. This thesis investigates the roles of insulator proteins in the TAD formation mechanism using Drosophila melanogaster as model system. Superresolution imaging was implemented and a series of developments were performed in Structured Illumination Microscopy (SIM) and Single-molecule Localization Microscopy (SMLM), with particular attention on fluorescent labeling for single-molecule detection. These developments were directly applied to study the nuclear organization of the Boundary Element Associated Factor (BEAF), one of the 11 insulator proteins discovered to date in Drosophila. The strong enrichment on TAD borders and its demonstrated looping activity make BEAF a potent candidate to test for the clustering of TAD borders as a general mechanism of chromatin folding. Multicolor SMLM systematically located BEAF foci at the periphery of large H3K27me3 chromatin domains. Quantitative analysis of SMLM images indicated BEAF forms hundreds of 45 nm foci, containing a mean of 5 molecules, which argues against a large-scale looping of BEAF-bound chromatin. To directly probe for gene clustering at the DNA level, TAD borders were labeled using fluorescent oligonucleotide probes. The number of foci detected by SIM was once more incompatible with a model of chromosome-wide contacting of multiple TAD borders. Furthermore, TAD border pairs distances were measured in two genomic regions, resulting in <5% of paired contacts among the measured barriers. Taken together, these results are inconsistent with constitutive interactions between consecutive or non-consecutive barriers in Drosophila.In conclusion, this study contributed to the methodological development of super-resolution microscopy which was applied to provide experimental evidence invalidating the TAD border clustering model as a general mechanism of chromatin folding.

Abstract Radio communication is used in increasingly diversified device typologies. Telecommunications with a reduced detrimental impact on health and environment, and an improved cost-efficiency and working lifetime are expected by institutions, end-users, operators and manufacturers. Moreover, with more networks present or more articulated systems, dependability of the entirety is to be ensured. The related need of efficiency in various compartments – such as in the use energy or the radio spectrum – and of effectiveness in adapting to changing operating conditions can be achieved with cognitive features. This dissertation addresses network reconfiguration and dependability by cognitive measures from multiple perspectives – each covered by a respective part of this work – providing guidelines for cognitive networks design. A rationalising view on cognitive networks with related taxonomies and models includes a discussion on the dynamics and interactions in networks operating closely and simultaneously (here, concurrent networks). While cognitive domains are specified for cognitive functions, with a more generic scope control functions are assigned to topological domains. This allows a flexible exploitation of the system design by decoupling the specification of system functions from their mapping onto network devices that will host them. As interaction plays an important role in many topical scenarios, a model for networked engineered cognitive entities comprising four categories (observation, interworking, consolidation, operation) and two levels (a cognitive frontier and a metacognitive hub) is presented here. Its cognitive phases are considered with regard to the other architectural elements. Moving the focus down to the levers for exploitation of context awareness, are presented solutions for efficient use of resources and dependability in general, considering the network dynamics. For communication link and network adaptation, the effective capacity is captured by a compact-form expression also considering imperfections, while learning is exploited for reducing overhead, and collaboration for fairly maximising energy save. / Tiivistelmä Käyttäjät, operaattorit ja laitevalmistajat toivovat tulevilta tietoliikennejärjestelmiltä sekä aiempaa pienempiä haitallisia vaikutuksia terveyteen ja ympäristöön että parannettua kustannustehokkuutta ja toiminta-aikaa. Lisäksi olisi varmistettava useiden verkkojen ja niiden muodostamien monimutkaisten järjestelmien kokonaisuuden luotettava toiminta. Tarvittava tehokkuus energian ja radioresurssien käytössä, samoin kuin kyky sopeutua muuttuviin käyttötilanteisiin, voidaan saavuttaa kognitiivisilla radioteknikoilla. Tämä väitöskirja käsittelee kognitiivisten menetelmien tuomaa radioverkkojen mukauttamista ja luotettavuutta eri näkökulmista. Samalla esitetään kognitiivisten verkkojen suunnittelun periaatteita ja lähtökohtia. Väitöskirja sisältää katsauksen kognitiivisiin radioverkkoihin niihin liittyvine luokitteluineen ja malleineen, sekä tarkastelee samanaikaisesti ja läheisesti toimivien verkkojen (rinnakkaisten verkkojen) dynamiikkaa ja vuorovaikutuksia. Työssä määritetään kognitiiviset lohkot kognitiivisine toimintoineen, kun taas topologiset tasot hallintatoimintoineen määritetään yleisemmin. Tämä mahdollistaa järjestelmäsuunnittelun joustavan hyödyntämisen erottamalla järjestelmän toimintojen määrittelyn toteuttavista verkkolaitteista. Koska vuorovaikutus on merkittävä tekijä useissa sovellusskenaarioissa, verkottuneille keinotekoisille kognitiivisille yksiköille ehdotetaan tässä neljä luokkaa (havainnointi, yhteistoiminta, vakauttaminen, toiminta) sekä kaksi vyöhykettä (kognitiivinen raja-alue ja metakognitiivinen keskus) sisältävää mallia. Mallin kognitiiviset vaiheet käsitellään suhteessa muihin arkkitehtuurin elementteihin. Järjestelmän kontekstitietoisuuden hyväksikäyttöön liittyen esitetään ratkaisuja resurssien tehokkaaseen käyttöön ja yleisemmin luotettavuuteen ottaen huomioon verkkojen dynamiikkaa. Yhteyksien ja verkkojen mukauttamisesta esitetään analyyttinen ratkaisu saavutettavan tehollisen kapasiteetin määrittämiseksi, huomioiden mahdolliset epäideaalisuudet. Kognitiivista oppimista hyödynnetään hallintalikenteen vähentämiseksi ja yhteistyötä energiansäästön maksimoimiseksi verkon alueella tasapuolisesti.