Large-scale DNA sequencing in taxonomy and conservation : a case study with the mayfly family Heptageniidae (Ephemeroptera) in the Alps and Madagascar

Les larves aquatiques d'éphémères (Ephemeroptera) colonisent toutes les eaux douces du monde et sont couramment utilisées comme bio-indicateurs de la qualité de l'eau. Le genre Rhithrogena (Heptageniidae) est le deuxième plus diversifié chez les éphémères, et plusieurs espèces européennes ont une distribution restreinte dans des environnements alpins sensibles. Les espèces de Rhithrogena ont été classées en "groupes d'espèces" faciles à identifier. Cependant, malgré leur importance écologique et en terme de conservation, beaucoup d'espèces présentent des différences morphologiques ambiguës, suggérant que lataxonomie actuelle ne refléterait pas correctement leur diversité évolutive. De plus, aucune information sur leurs relations, leur origine, le taux de spéciation ou les mécanismes ayant provoqué leur remarquable diversification dans les Alpes n'est disponible. Nous avons d'abord examiné le statut spécifique d'environ 50% des espèces européennes de Rhithrogena en utilisant un large échantillonnage de populations alpines incluant 22 localités typiques, ainsi qu'une analyse basée sur le modèle général mixte de Yule et de coalescence (GMYC) appliqué à un gène mitochondrial standard (coxl) et à un gène nucléaire développé spécifiquement pour cette étude. Nous avons observé un regroupement significatif des séquences coxl en 31 espèces potentielles, et nos résultats ont fortement suggéré la présence d'espèces cryptiques et de fractionnements taxonomiques excessifs chez les Rhithrogena. Nos analyses phylogénétiques ont démontré la monophylie de quatre des six groupes d'espèces reconnus présents dans notre échantillonnage. La taxonomie ADN développée dans cette étude pose les bases d'une future révision de ce genre important mais cryptique en Europe. Puis nous avons mené une étude phylogénétique multi-gènes entre les espèces européennes de Rhithrogena. Les données provenant de trois gènes nucléaires et de deux gènes mitochondriaux ont été largement concordantes, et les relations entre les espèces bien résolues au sein de la plupart des groupes d'espèces dans une analyse combinant tous les gènes. En l'absence de points de calibration extérieurs tels que des fossiles, nous avons appliqué à nos données mitochondriales une horloge moléculaire standard pour les insectes, suggérant une origine des Rhithrogena alpins à la limite Oligocène / Miocène. Nos résultats ont montré le rôle prépondérant qu'ont joué les glaciations du quaternaire dans leur diversification, favorisant la spéciation d'au moins la moitié des espèces actuelle dans les Alpes. La biodiversité et le taux d'endémisme à Madagascar, notamment au niveau de la faune des eaux douces, sont parmi les plus extraordinaires et les plus menacés au monde. On pense que beaucoup d'espèces d'éphémères sont restreintes à un seul bassin versant (microendémisme) dans les zones forestières, ce qui les rendrait particulièrement sensibles à la réduction et à la dégradation de leur habitat. Mis à part deux espèces décrites, Afronurus matitensis et Compsoneuria josettae, les Heptageniidae sont pratiquement inconnus à Madagascar. Les deux genres ont une distribution discontinue en Afrique, à Madagascar et en Asie du Sud-Est, et leur taxonomie complexe est régulièrement révisée. L'approche standard pour comprendre leur diversité, leur endémisme et leur origine requerrait un échantillonnage étendu sur plusieurs continents et des années de travaux taxonomiques. Pour accélérer le processus, nous avons utilisé des collections de musées ainsi que des individus fraîchement collectés, et appliqué une approche combinant taxonomie ADN et phylogénie. L'analyses GMYC du gène coxl a délimité 14 espèces potentielles à Madagascar, dont 70% vraisemblablement microendémiques. Une analyse phylogénique incluant des espèces africaines et asiatiques portant sur deux gènes mitochondriaux et quatre gènes nucléaires a montré que les Heptageniidae malgaches sont monophylétiques et groupe frère des Compsoneuria africains. L'existence de cette lignée unique, ainsi qu'un taux élevé de microendémisme, mettent en évidence leur importance en terme de conservation. Nos résultats soulignent également le rôle important que peuvent jouer les collections de musées dans les études moléculaires et en conservation. - Aquatic nymphs of mayflies (Ephemeroptera) colonize all types of freshwaters throughout the world and are extensively used as bio-indicators of water quality. Rhithrogena (Heptageniidae) is the second most species-rich genus of mayflies, and several European species have restricted distributions in sensitive Alpine environments and therefore are of conservation interest. The European Rhithrogena species are arranged into "species groups" that are easily identifiable. However, despite their ecological and conservation importance, ambiguous morphological differences among many species suggest that the current taxonomy may not accurately reflect their evolutionary diversity. Moreover, no information about their relationships, origin, timing of speciation and mechanisms promoting their successful diversification in the Alps is available. We first examined the species status of ca. 50% of European Rhithrogena diversity using a widespread sampling scheme of Alpine species that included 22 type localities, general mixed Yule- coalescent (GMYC) model analysis of one standard mitochondrial (coxl) and one newly developed nuclear marker. We observed significant clustering of coxl into 31 GMYC species, and our results strongly suggest the presence of both cryptic diversity and taxonomic oversplitting in Rhithrogena. Phylogenetic analyses recovered four of the six recognized species groups in our samples as monophyletic. The DNA taxonomy developed here lays the groundwork for a future revision of this important but cryptic genus in Europe. Then we conducted a species-level, multiple-gene phylogenetic study of European Rhithrogena. Data from three nuclear and two mitochondrial loci were broadly congruent, and species-level relationships were well resolved within most species groups in a combined analysis. In the absence of external calibration points like fossils, we applied a standard insect molecular clock hypothesis to our mitochondrial data, suggesting an origin of Alpine Rhithrogena in the Oligocene / Miocene boundary. Our results highlighted the preponderant role that quaternary glaciations played in their diversification, promoting speciation of at least half of the current diversity in the Alps. Madagascar's biodiversity and endemism are among the most extraordinary and endangered in the world. This includes the island's freshwater biodiversity, although detailed knowledge of the diversity, endemism, and biogeographic origin of freshwater invertebrates is lacking. Many mayfly species are thought to be restricted to single river basins (microendemic species) in forested areas, making them particularly sensitive to habitat reduction and degradation. The Heptageniidae are practically unknown in Madagascar except for two described species, Afronurus matitensis and Compsoneuria josettae. Both genera have a disjunct distribution in Africa, Madagascar and Southeast Asia, and a complex taxonomic status still in flux. The standard approach to understanding their diversity, endemism, and origin would require extensive field sampling on several continents and years of taxonomic work. Here we circumvent this using museum collections and freshly collected individuals in a combined approach of DNA taxonomy and phylogeny. The cox/-based GMYC analysis revealed 14 putative species on Madagascar, 70% of which potentially microendemics. A phylogenetic analysis that included African and Asian species and data from two mitochondrial and four nuclear loci indicated the Malagasy Heptageniidae are monophyletic and sister to African Compsoneuria. The observed monophyly and high microendemism highlight their conservation importance. Our results also underline the important role that museum collections can play in molecular studies, especially in critically endangered biodiversity hotspots like Madagascar.

Schizophrénie Étude de corrélation entre des paramètres psychopathologiques et des données génétiques

La schizophrénie est une maladie chronique qui touche 1% de la population mondiale. Elle¦comporte des facteurs de risque génétiques et environnementaux. Leur interaction pendant le¦développement du cerveau mène aux déficits de la synchronisation neuronale et aux¦dommages cellulaires qui prédisposent l'individu à développer, à l'âge adulte, la¦schizophrénie (Kim Do et al.). Kim Do et al (2009) ont découvert qu'une anomalie génétique¦de la synthèse du glutathion (GSH) est responsable de la dérégulation redox qui mène au¦stress oxydatif qui, à son tour, est impliqué dans la pathogénèse de la schizophrénie pendant le¦développement du cerveau. Le GSH protège les cellules contre les radicaux libres produits par¦le stress oxydatif. En effet, les radicaux libres provoquent la peroxydation des lipides,¦l'oxydation des protéines et des lésions au niveau de l'ADN, et par conséquent, des¦dommages cellulaires.¦Le GSH est produit par l'enzyme clé GCL (glutamate-cystéine ligase). Le GCL est composé¦de deux sous-unités: GCL-M (sous-unité modulatrice) et GCL-C (sous-unité catalytique). Des¦polymorphismes des gènes de GCL-M et GCL-C ont été trouvé associés avec la¦maladie (Tosic et al., 2006 ; Gysin et al., 2007). Dans cette étude, on se focalisera sur le TNR¦GAG (répétitions de tri-nucléotides) du GCL-C. En effet, GCL-C possède sur son codon¦START des variances avec 7, 8 ou 9 répétitions GAG générant ainsi six génotypes différents:¦7/7, 7/8, 7/9, 8/8, 8/9 et 9/9. Dans deux cohortes, les génotypes 8/7, 8/8, 8/9 et 9/9, appelés¦génotype à haute risque (HR), se trouvent en plus grand nombre chez les patients tandis que¦les génotypes 7/7 et 7/9 (génotypes à bas risque (BR)) sont plus nombreux chez les sujets¦témoins (Gysin et al., 2007). En plus, les analyses des cultures de fibroblastes montrent que¦chez les génotypes HR, en comparaison avec ceux à BR, l'expression de protéine de GCL-C,¦l'activité enzymatique de GCL et le taux de GSH sont nettement plus bas.¦Cette étude se base sur le DIGS (diagnostic interview for genetic studies), un entretien semistructuré¦qui récolte des données psychopathologiques. Grâce à cet outil, nous pouvons¦comparer les données des sujets avec les génotypes HR versus BR. Plus précisément, on va se¦focaliser sur le chapitre des psychoses du DIGS chez les schizophrènes, en se posant la¦question suivante: « Est-ce qu'il y a une différence des phénotypes entre BR et HR ? » .¦La méthode de travail va se focaliser sur : (a) revue de la littérature, (b) l'analyse et la¦compréhension du DIGS et (c) l'analyse, l'interprétation et la synthèse des résultats¦statistiques du chapitre « psychose » du DIGS.¦Les résultats nous indiquent une différence significative entre les deux groupes pour les¦symptômes suivants : (a) les idées délirantes de persécution, (b) la durée de l'émoussement¦affectif et des affects inappropriés et (c) les croyances inhabituelles ou pensées magiques¦pendant la phase prodromique.¦Étant donné que cette étude se base sur un échantillon assez restreint, il faudrait la consolider¦avec un plus grands nombre de cas et il serait intéressant de le reproduire dans une autre¦cohorte. En conclusion, le travail peut ouvrir de nouvelles perspectives, surtout pour les¦symptômes mal traités ou pas traités par les traitements actuels.

Computational and statistical analysis of copy number variants in normal and cancer genomes

AbstractAlthough the genomes from any two human individuals are more than 99.99% identical at the sequence level, some structural variation can be observed. Differences between genomes include single nucleotide polymorphism (SNP), inversion and copy number changes (gain or loss of DNA). The latter can range from submicroscopic events (CNVs, at least 1kb in size) to complete chromosomal aneuploidies. Small copy number variations have often no (lethal) consequences to the cell, but a few were associated to disease susceptibility and phenotypic variations. Larger re-arrangements (i.e. complete chromosome gain) are frequently associated with more severe consequences on health such as genomic disorders and cancer. High-throughput technologies like DNA microarrays enable the detection of CNVs in a genome-wide fashion. Since the initial catalogue of CNVs in the human genome in 2006, there has been tremendous interest in CNVs both in the context of population and medical genetics. Understanding CNV patterns within and between human populations is essential to elucidate their possible contribution to disease. But genome analysis is a challenging task; the technology evolves rapidly creating needs for novel, efficient and robust analytical tools which need to be compared with existing ones. Also, while the link between CNV and disease has been established, the relative CNV contribution is not fully understood and the predisposition to disease from CNVs of the general population has not been yet investigated.During my PhD thesis, I worked on several aspects related to CNVs. As l will report in chapter 3, ! was interested in computational methods to detect CNVs from the general population. I had access to the CoLaus dataset, a population-based study with more than 6,000 participants from the Lausanne area. All these individuals were analysed on SNP arrays and extensive clinical information were available. My work explored existing CNV detection methods and I developed a variety of metrics to compare their performance. Since these methods were not producing entirely satisfactory results, I implemented my own method which outperformed two existing methods. I also devised strategies to combine CNVs from different individuals into CNV regions.I was also interested in the clinical impact of CNVs in common disease (chapter 4). Through an international collaboration led by the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) and the Imperial College London I was involved as a main data analyst in the investigation of a rare deletion at chromosome 16p11 detected in obese patients. Specifically, we compared 8,456 obese patients and 11,856 individuals from the general population and we found that the deletion was accounting for 0.7% of the morbid obesity cases and was absent in healthy non- obese controls. This highlights the importance of rare variants with strong impact and provides new insights in the design of clinical studies to identify the missing heritability in common disease.Furthermore, I was interested in the detection of somatic copy number alterations (SCNA) and their consequences in cancer (chapter 5). This project was a collaboration initiated by the Ludwig Institute for Cancer Research and involved other groups from the Swiss Institute of Bioinformatics, the CHUV and Universities of Lausanne and Geneva. The focus of my work was to identify genes with altered expression levels within somatic copy number alterations (SCNA) in seven metastatic melanoma ceil lines, using CGH and SNP arrays, RNA-seq, and karyotyping. Very few SCNA genes were shared by even two melanoma samples making it difficult to draw any conclusions at the individual gene level. To overcome this limitation, I used a network-guided analysis to determine whether any pathways, defined by amplified or deleted genes, were common among the samples. Six of the melanoma samples were potentially altered in four pathways and five samples harboured copy-number and expression changes in components of six pathways. In total, this approach identified 28 pathways. Validation with two external, large melanoma datasets confirmed all but three of the detected pathways and demonstrated the utility of network-guided approaches for both large and small datasets analysis.RésuméBien que le génome de deux individus soit similaire à plus de 99.99%, des différences de structure peuvent être observées. Ces différences incluent les polymorphismes simples de nucléotides, les inversions et les changements en nombre de copies (gain ou perte d'ADN). Ces derniers varient de petits événements dits sous-microscopiques (moins de 1kb en taille), appelés CNVs (copy number variants) jusqu'à des événements plus large pouvant affecter des chromosomes entiers. Les petites variations sont généralement sans conséquence pour la cellule, toutefois certaines ont été impliquées dans la prédisposition à certaines maladies, et à des variations phénotypiques dans la population générale. Les réarrangements plus grands (par exemple, une copie additionnelle d'un chromosome appelée communément trisomie) ont des répercutions plus grave pour la santé, comme par exemple dans certains syndromes génomiques et dans le cancer. Les technologies à haut-débit telle les puces à ADN permettent la détection de CNVs à l'échelle du génome humain. La cartographie en 2006 des CNV du génome humain, a suscité un fort intérêt en génétique des populations et en génétique médicale. La détection de différences au sein et entre plusieurs populations est un élément clef pour élucider la contribution possible des CNVs dans les maladies. Toutefois l'analyse du génome reste une tâche difficile, la technologie évolue très rapidement créant de nouveaux besoins pour le développement d'outils, l'amélioration des précédents, et la comparaison des différentes méthodes. De plus, si le lien entre CNV et maladie a été établit, leur contribution précise n'est pas encore comprise. De même que les études sur la prédisposition aux maladies par des CNVs détectés dans la population générale n'ont pas encore été réalisées.Pendant mon doctorat, je me suis concentré sur trois axes principaux ayant attrait aux CNV. Dans le chapitre 3, je détaille mes travaux sur les méthodes d'analyses des puces à ADN. J'ai eu accès aux données du projet CoLaus, une étude de la population de Lausanne. Dans cette étude, le génome de plus de 6000 individus a été analysé avec des puces SNP et de nombreuses informations cliniques ont été récoltées. Pendant mes travaux, j'ai utilisé et comparé plusieurs méthodes de détection des CNVs. Les résultats n'étant pas complètement satisfaisant, j'ai implémenté ma propre méthode qui donne de meilleures performances que deux des trois autres méthodes utilisées. Je me suis aussi intéressé aux stratégies pour combiner les CNVs de différents individus en régions.Je me suis aussi intéressé à l'impact clinique des CNVs dans le cas des maladies génétiques communes (chapitre 4). Ce projet fut possible grâce à une étroite collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) et l'Impérial College à Londres. Dans ce projet, j'ai été l'un des analystes principaux et j'ai travaillé sur l'impact clinique d'une délétion rare du chromosome 16p11 présente chez des patients atteints d'obésité. Dans cette collaboration multidisciplinaire, nous avons comparés 8'456 patients atteint d'obésité et 11 '856 individus de la population générale. Nous avons trouvés que la délétion était impliquée dans 0.7% des cas d'obésité morbide et était absente chez les contrôles sains (non-atteint d'obésité). Notre étude illustre l'importance des CNVs rares qui peuvent avoir un impact clinique très important. De plus, ceci permet d'envisager une alternative aux études d'associations pour améliorer notre compréhension de l'étiologie des maladies génétiques communes.Egalement, j'ai travaillé sur la détection d'altérations somatiques en nombres de copies (SCNA) et de leurs conséquences pour le cancer (chapitre 5). Ce projet fut une collaboration initiée par l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer et impliquant l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les Universités de Lausanne et Genève. Je me suis concentré sur l'identification de gènes affectés par des SCNAs et avec une sur- ou sous-expression dans des lignées cellulaires dérivées de mélanomes métastatiques. Les données utilisées ont été générées par des puces ADN (CGH et SNP) et du séquençage à haut débit du transcriptome. Mes recherches ont montrées que peu de gènes sont récurrents entre les mélanomes, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats. Pour contourner ces limitations, j'ai utilisé une analyse de réseaux pour définir si des réseaux de signalisations enrichis en gènes amplifiés ou perdus, étaient communs aux différents échantillons. En fait, parmi les 28 réseaux détectés, quatre réseaux sont potentiellement dérégulés chez six mélanomes, et six réseaux supplémentaires sont affectés chez cinq mélanomes. La validation de ces résultats avec deux larges jeux de données publiques, a confirmée tous ces réseaux sauf trois. Ceci démontre l'utilité de cette approche pour l'analyse de petits et de larges jeux de données.Résumé grand publicL'avènement de la biologie moléculaire, en particulier ces dix dernières années, a révolutionné la recherche en génétique médicale. Grâce à la disponibilité du génome humain de référence dès 2001, de nouvelles technologies telles que les puces à ADN sont apparues et ont permis d'étudier le génome dans son ensemble avec une résolution dite sous-microscopique jusque-là impossible par les techniques traditionnelles de cytogénétique. Un des exemples les plus importants est l'étude des variations structurales du génome, en particulier l'étude du nombre de copies des gènes. Il était établi dès 1959 avec l'identification de la trisomie 21 par le professeur Jérôme Lejeune que le gain d'un chromosome supplémentaire était à l'origine de syndrome génétique avec des répercussions graves pour la santé du patient. Ces observations ont également été réalisées en oncologie sur les cellules cancéreuses qui accumulent fréquemment des aberrations en nombre de copies (telles que la perte ou le gain d'un ou plusieurs chromosomes). Dès 2004, plusieurs groupes de recherches ont répertorié des changements en nombre de copies dans des individus provenant de la population générale (c'est-à-dire sans symptômes cliniques visibles). En 2006, le Dr. Richard Redon a établi la première carte de variation en nombre de copies dans la population générale. Ces découvertes ont démontrées que les variations dans le génome était fréquentes et que la plupart d'entre elles étaient bénignes, c'est-à-dire sans conséquence clinique pour la santé de l'individu. Ceci a suscité un très grand intérêt pour comprendre les variations naturelles entre individus mais aussi pour mieux appréhender la prédisposition génétique à certaines maladies.Lors de ma thèse, j'ai développé de nouveaux outils informatiques pour l'analyse de puces à ADN dans le but de cartographier ces variations à l'échelle génomique. J'ai utilisé ces outils pour établir les variations dans la population suisse et je me suis consacré par la suite à l'étude de facteurs pouvant expliquer la prédisposition aux maladies telles que l'obésité. Cette étude en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois a permis l'identification d'une délétion sur le chromosome 16 expliquant 0.7% des cas d'obésité morbide. Cette étude a plusieurs répercussions. Tout d'abord elle permet d'effectuer le diagnostique chez les enfants à naître afin de déterminer leur prédisposition à l'obésité. Ensuite ce locus implique une vingtaine de gènes. Ceci permet de formuler de nouvelles hypothèses de travail et d'orienter la recherche afin d'améliorer notre compréhension de la maladie et l'espoir de découvrir un nouveau traitement Enfin notre étude fournit une alternative aux études d'association génétique qui n'ont eu jusqu'à présent qu'un succès mitigé.Dans la dernière partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'analyse des aberrations en nombre de copies dans le cancer. Mon choix s'est porté sur l'étude de mélanomes, impliqués dans le cancer de la peau. Le mélanome est une tumeur très agressive, elle est responsable de 80% des décès des cancers de la peau et est souvent résistante aux traitements utilisés en oncologie (chimiothérapie, radiothérapie). Dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer, l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les universités de Lausanne et Genève, nous avons séquencés l'exome (les gènes) et le transcriptome (l'expression des gènes) de sept mélanomes métastatiques, effectués des analyses du nombre de copies par des puces à ADN et des caryotypes. Mes travaux ont permis le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées au cancer, d'établir la liste des réseaux de signalisation cellulaire affectés de façon récurrente chez le mélanome et d'identifier deux cibles thérapeutiques potentielles jusqu'alors ignorées dans les cancers de la peau.

Biochemical characterization of FANCD2 and FANCM in the Fanconi Anaemia pathway

Abstract : The maintenance of genome stability is a challenge for all living organisms. DNA is regularly subjected to chemical alterations by both endogenous and exogenous DNA damaging agents. If left unrepaired, these lesions will create mutations or lead to chromosomal instability. DNA crosslinking agents probably bring about the most toxic lesions. By linking covalently the two strands of DNA, crosslinking agents will impede essential cellular processes such as replication and transcription. Cells from Fanconi anaemia patients are extremely sensitive to these agents. Fanconi anaemia (FA) is a rare chromosomal instability disorder that leads to developmental defects, pancytopenia and cancer susceptibility. FA is a genetically heterogeneous disease with thirteen complementation groups identified. Proteins encoded by the FA genes work together in the FA pathway. Eight of these proteins form the FA core complex (FANC-A, B, C,E, F, G, L and -M), whose integrity is required to monoubiquitinate FANCD2 and FANCI in response to DNA damage. The hypersensitivity of FA cells to crosslinking agents, which perturb the progression of replication forks, has led to the hypothesis that FA proteins play a crucial role in the response to replication stress. However, at the molecular level, the functions of the FA pathway remain largely unknown. Our efforts were first focused on the characterization of FANCD2, "the key effector of the FA pathway". Using different substrates, we found that in vitro, purified hFANCD2 preferentially binds single strand DNA and double strand DNA extremities. Concomitantly, FANCM was identified as a new component of the FA core complex. Moreover FANCM was shown to have specific branch migration activities and probably a role as a "landing platform" on DNA for the other components of the core complex. By using FANCM mutants carrying deletions within the internal domain, we investigated the role of FANCM as a DNA anchor protein for the core complex. We observed that indeed, a specific part of the internal domain of FANCM interacts with components of the core complex. Finally, in collaboration with Weidong Wang's lab we characterized two new components of the FA pathway: FAAP10 and FAAP16. As a heterodimer these two proteins show affinity for dsDNA, and anneal complementary oligonucleotides in vitro. Moreover these proteins can associate with FANCM via a part of its internal domain. We find that FANCM, FAAP 10 and FAAP 16 can co-exist on the branch point of replication and recombination intermediates, and that FAAP10 and FAAP16 stimulate replication fork reversal by FANCM. These results suggest that FANCM may function as a landing platform for the core complex. After loading on DNA, the core complex can activate FANCD2 through monoubiquitination leading to its recruitment to the site of damage. Since ssDNA and double strand breaks are intermediates that are generated as a consequence of collapsed replication forks, FANCD2 by binding to ds DNA ends and ssDNA could protect such structures from the recombination repair machinery and prevent unscheduled recombination events. Alternatively, FANCD2 could avoid nucleases from gaining access to collapsed forks, preserving the DNA in state that can be used as a starting point for resumption of DNA synthesis. The overall comprehension of the FA pathway is far from been complete. Our results unravel new aspects of Fanconi Anaemia, which hopefully in the near future will address keys questions leading to a better understanding of the fascinating Fanconi Anaemia. Résumé : Le maintien de l'intégrité du génome est fondamentale chez tous les organismes vivants. L'ADN est constamment altéré par des composés aussi bien endogènes qu'exogènes. Si ces altérations ne sont pas réparées, elles peuvent conduire à l'apparition de mutations, ainsi qu'à une instabilité génomique accrue. Les lésions les plus sévères qui peuvent survenir sur l'ADN, sont les pontages inter caténaires. Des agents pontants en liant de façon covalente les deux brins d'ADN, vont empêcher le déroulement normal de processus cellulaires essentiels tels que la réplication ou la transcription. La compréhension des mécanismes permettant à la cellule de tolérer et réparer ces lésions est primordiale, notamment dans le cas des patients atteints de l'anémie de Fanconi qui présentent une très grande sensibilité à ces composés pontants. L'anémie de Fanconi est une maladie génétique rare appartenant à un groupe de pathologies associées à une grande instabilité chromosomique. Les patients atteints de l'anémie de Fanconi présentent des malformations du squelette, une pancytopénie et une forte propension à la survenue de cancer. L'anémie de Fanconi est génétiquement très hétérogène. À ce jour, 13 gènes codant pour 13 protéines FANC différentes ont été identifiés. Huit de ces protéines fonctionnent ensemble au sein d'un complexe (nommé le complexe FANC) ayant pour but de monoubiquitiner FANCD2 et FANCI en réponse à la formation de lésions sur l'ADN. L'extrême sensibilité des cellules de patients atteints de l'anémie de Fanconi à ces agents pontant l'ADN suggère l'implication des protéines FANC dans la réponse cellulaire suite à une stress réplicatif. Cependant, le rôle moléculaire exact de ces protéines demeure encore inconnu. Après purification, nous avons observé que FANCD2 était capable de lier l'ADN simple brin, ainsi que les extrémités d'ADN in vitro. Dans le même temps, FANCM fut identifié comme appartenant au complexe FANC. FANCM est décrit comme une translocase capable de promouvoir le déplacement de point de jonction dans des structures d'ADN spécifiques in vitro. De plus, en se liant à l'ADN, FANCM peut agir comme une plateforme pour les autres protéines FANC, leur permettant ainsi d'être adressées à l'ADN. En créant des protéines FANCM recombinantes ayant des délétions dans le domaine interne, nous avons pu observer que certaines protéines du complexe FANC se fixent à des sites spécifiques sur le domaine interne de FANCM. Enfin, au travers d'une collaboration, nous avons été amenés à caractériser deux nouvelles protéines appartenant au complexe FANC : FAAP 10 et FAAP16. Elles s'associent à FANCM par l'intermédiaire du domaine interne, et forment ainsi un hétérotrimére. La présence de FAAP10 et FAAP16 n'affecte pas la liaison de FANCM à l'ADN, mais semble potentialiser son activité de régression in vitro. FANCM semble donc fonctionner comme une plateforme pour les autres composants du complexe FANC. Ces derniers, une fois liés à l'ADN permettent la monoubiquitination de FANCD2 et son recrutement au site lésé de l'ADN. FANCD2 en se liant de façon préférentielle à l'ADN simple brin et aux extrémités d'ADN qui sont générés lors de l'arrêt et du démantèlement d'une fourche de réplication, pourrait protéger ces même fourches de réplication arrêtées, d'évènements de recombinaison aléatoires. Nos résultats apportent de nouveaux éléments concernant les mécanismes moléculaires de l'anémie de Fanconi. Enfin, l'étude de l'anémie de Fanconi permet aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en place par la cellule pour tolérer des lésions survenant lors de la réplication.

Identification des dermatophytes causant des teignes de la peau glabre (Tinea glabra) et du cuir chevelu (Tinea capitis) par PCR

Contexte: Le nombre de teignes du cuir chevelu et de la peau glabre étant en nette augmentation, l'identification du pathogène qui est indispensable pour un traitement ciblé, a, par conséquence, un grand intérêt pour la santé publique. Dans divers cas, un animal de compagnie peut être identifié en tant que source du pathogène. La fréquence de cultures restant stériles est particulièrement élevée en cas de prétraitement antifongique. Objectif: Le but de ce travail est de mettre au point une méthode rapide d'identification du dermatophyte pathogène in situ par PCR/séquençage dans les cas de teignes du cuir chevelu et/ou de la peau glabre. Matériel et méthodes : De l'ADN a été extrait de squames (N=5) et cheveux (N=21) dont l'examen direct démontrait une infection fongique (N=26) ou se révèlait négatif (N=1). Ensuite, une première PCR du segment 28s de l'ADN ribosomale fongique a été effectuée, suivie par une PCR nichée intérieure à ce segment. L'amplicon a été séquencé et le champignon est identifié par alignement. Résultats : Seule la PCR enchainée a permis d'obtenir une quantité suffisante d'amplicon pour permettre le séquençage. Dans 4 cas sur 5 de tinea pedis, 10 sur 12 de tinea glabra, respectivement 4 sur 4 de tinea capitis, dans lesquels un dermato- phyte a été identifié en culture, le même dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Une fois sur 27 prélèvements, un autre dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Ce résultat pourrait être dû à une fausse identification du champignon en culture. Dans un cas de tinea pedis et un cas de tinea corporis, la culture est restée stérile, mais un dermatophyte a pu être identifié par PCR et séquençage. Conclusions : La méthode décrite est à la fois rapide (24 h au lieu de deux semaines pour la culture), sensible et très spécifique. Elle est particulièrement utile dans les cas de teigne du cuir chevelu, dans lesquels le traitement est différent selon l'espèce de dermatophyte et où il s'agit d'un traitement systémique lourd, souvent chez l'enfant.

Design of new tools to improve the efficacy of DNA-damaging drugs used in cancer therapy

Résumé Les tumeurs sont diverses et hétérogènes, mais toutes partagent la capacité de proliférer sans contrôle. Une prolifération dérégulée de cellules couplée à une insensibilité à une réponse apoptotique constitue une condition minimale pour que l'évolution d'une tumeur se produise. Un des traitements les plus utilisés pour traité le cancer à l'heure actuelle sont les chimiothérapies, qui sont fréquemment des composés chimiques qui induisent des dommages dans l'ADN. Les agents anticancéreux sont efficaces seulement quand les cellules tumorales sont plus aisément tuées que le tissu normal environnant. L'efficacité de ces agents est en partie déterminée par leur capacité à induire l'apoptose. Nous avons récemment démontré que la protéine RasGAP est un substrat non conventionnel des caspases parce elle peut induire à la fois des signaux anti et pro-apoptotiques, selon l'ampleur de son clivage par les caspases. A un faible niveau d'activité des caspases, RasGAP est clivé, générant deux fragments (le fragment N et le fragment C). Le fragment N semble être un inhibiteur général de l'apoptose en aval de l'activation des caspases. À des niveaux plus élevés d'activité des caspases, la capacité du fragment N de contrecarrer l'apoptose est supprimée quand il est clivé à nouveau par les caspases. Ce dernier clivage produit deux nouveaux fragments, N 1 et N2, qui contrairement au fragment N sensibilisent efficacement des cellules cancéreuses envers des agents chimiothérapeutiques. Dans cette étude nous avons prouvé qu'un peptide, appelé par la suite TAT-RasGAP317-326, qui est dérivé du fragment N2 de RasGAP et est rendu perméable aux cellules, sensibilise spécifiquement des cellules cancéreuses à trois génotoxines différentes utilisées couramment dans des traitements anticancéreux, et cela dans des modèles in vitro et in vivo. Il est important de noté que ce peptide semble ne pas avoir d'effet sur des cellules non cancéreuses. Nous avons également commencé à caractériser les mécanismes moléculaires expliquant les fonctions de sensibilisation de TAT-RasGAP317-326. Nous avons démontré que le facteur de transcription p53 et une protéine sous son activité transcriptionelle, nommée Puma, sont indispensables pour l'activité de TAT-RasGAP317-326. Nous avons également prouvé que TAT-RasGAP317-326 exige la présence d'une protéine appelée G3BP1, une protéine se liant a RasGAP, pour potentialisé les effets d'agents anticancéreux. Les données obtenues dans cette étude montrent qu'il pourrait être possible d'augmenter l'efficacité des chimiothérapies à l'aide d'un composé capable d'augmenter la sensibilité des tumeurs aux génotoxines et ainsi pourrait permettre de traiter de manière plus efficace des patients sous traitement chimiothérapeutiques. Summary Tumors are diverse and heterogeneous, but all share the ability to proliferate without control. Deregulated cell proliferation coupled with suppressed apoptotic sensitivity constitutes a minimal requirement upon which tumor evolution occurs. One of the most commonly used treatments is chemotherapy, which frequently uses chemical compounds that induce DNA damages. Anticancer agents are effective only when tumors cells are more readily killed than the surrounding normal tissue. The efficacy of these agents is partly determined by their ability to induce apoptosis. We have recently demonstrated that the protein RasGAP is an unconventional caspase substrate because it can induce both anti- and pro-apoptotic signals, depending on the extent of its cleavage by caspases. At low levels of caspase activity, RasGAP is cleaved, generating an N-terminal fragment (fragment N) and a C-terminal fragment (fragment C). Fragment N appears to be a general Mocker of apoptosis downstream of caspase activation. At higher levels of caspase activity, the ability of fragment N to counteract apoptosis is suppressed when it is further cleaved. This latter cleavage event generates two fragments, N1 and N2, which in contrast to fragment N potently sensitizes cancer cells toward DNA-damaging agents induced apoptosis. In the present study we show that a cell permeable peptide derived from the N2 fragment of RasGAP, thereafter called TAT-RasGAP317-326, specifically sensitizes cancer cells to three different genotoxins commonly used in chemotherapy in vitro and in vivo models. Importantly this peptide seems not to have any effect on non cancer cells. We have also started to characterize the molecular mechanisms underlying the sensitizing functions of TAT-RasGAP317-326. We have demonstrated that the p53 transcription factor and a protein under its transcriptional activity, called Puma, are required for the activity of TATRasGAP317-326. We have also showed that TAT-RasGAP317-326 requires the presence of a protein called G3BP1, which have been shown to interact with RasGAP, to increase the effect of the DNA-damaging drug cisplatin. The data obtained in this study showed that it is possible to increase the efficacy of current used chemotherapies with a compound able to increase the efficacy of genotoxins which could be beneficial for patients subjected to chemotherapy.

Etude des niveaux de concentration d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) dans la poussière de bois et des marqueurs biologiques d'effets génotoxiques chez les travailleurs du bois

L'exposition aux poussières de bois est associé à un risque accru d'adénocarcinomes des fosses nasales et des sinus paranasaux (SNC, 'Sinonasal cancer') chez les travailleurs du bois. Les poussières de bois sont ainsi reconnues comme cancérogènes avérés pour l'homme par le Centre international de Recherche sur le Cancer (CIRC). Toutefois, l'agent causal spécifique et le mécanisme sous-jacent relatifs au cancer lié aux poussières de bois demeurent inconnus. Une possible explication est une co-exposition aux poussières de bois et aux Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP), ces derniers étant potentiellement cancérogènes. Dans les faits, les travailleurs du bois sont non seulement exposés aux poussières de bois naturel, mais également à celles générées lors d'opérations effectuées à l'aide de machines (ponceuses, scies électriques, etc.) sur des finitions de bois (bois traités) ou sur des bois composites, tels que le mélaminé et les panneaux de fibres à densité moyenne (MDF, 'Medium Density Fiberboard'). Des HAP peuvent en effet être générés par la chaleur produite par l'utilisation de ces machines sur la surface du bois. Les principaux objectifs de cette thèse sont les suivants: (1) quantifier HAP qui sont présents dans les poussières générées lors de diverses opérations courantes effectuées sur différents bois (2) quantifier l'exposition individuelle aux poussières de bois et aux HAP chez les travailleurs, et (3) évaluer les effets génotoxiques (dommages au niveau de l'ADN et des chromosomes) due à l'exposition aux poussières de bois et aux HAP. Cette thèse est composée par une étude en laboratoire (objectif 1) et par une étude de terrain (objectifs 2 et 3). Pour l'étude en laboratoire, nous avons collecté des poussières de différents type de bois (sapin, MDF, hêtre, sipo, chêne, bois mélaminé) générées au cours de différentes opérations (comme le ponçage et le sciage), et ceci dans une chambre expérimentale et dans des conditions contrôlées. Ensuite, pour l'étude de terrain, nous avons suivi, dans le cadre de leur activité professionnelle, 31 travailleurs de sexe masculin (travailleurs du bois et ébenistes) exposés aux poussières de bois pendant deux jours de travail consécutifs. Nous avons également recruté, comme groupe de contrôle, 19 travailleurs non exposés. Pour effectuer une biosurveillance, nous avons collecté des échantillons de sang et des échantillons de cellules nasales et buccales pour chacun des participants. Ces derniers ont également rempli un questionnaire comprenant des données démographiques, ainsi que sur leur style de vie et sur leur exposition professionnelle. Pour les travailleurs du bois, un échantillonnage individuel de poussière a été effectué sur chaque sujet à l'aide d'une cassette fermée, puis nous avons évalué leur exposition à la poussière de bois et aux HAP, respectivement par mesure gravimétrique et par Chromatographie en phase gazeuse combinée à la spectrométrie de masse. L'évaluation des dommages induits à l'ADN et aux chromosomes (génotoxicité) a été, elle, effectuée à l'aide du test des micronoyaux (MN) sur les cellules nasales et buccales et à l'aide du test des comètes sur les échantillons de sang. Nos résultats montrent dans la poussière de la totalité des 6 types de bois étudiés la présence de HAP (dont certains sont cancérogènes). Des différences notoires dans les concentrations ont été néanmoins constatées en fonction du matériau étudié : les concentrations allant de 0,24 ppm pour la poussière de MDF à 7.95 ppm pour le mélaminé. Nos résultats montrent également que les travailleurs ont été exposés individuellement à de faibles concentrations de HAP (de 37,5 à 119,8 ng m-3) durant les opérations de travail du bois, alors que les concentrations de poussières inhalables étaient relativement élevés (moyenne géométrique de 2,8 mg m-3). En ce qui concerne la génotoxicité, les travailleurs exposés à la poussière de bois présentent une fréquence significativement plus élevée en MN dans les cellules nasales et buccales que les travailleurs du groupe témoin : un odds ratio de 3.1 a été obtenu pour les cellules nasales (IC 95% : de 1.8 à 5.1) et un odds ratio de 1,8 pour les cellules buccales (IC 95% : de 1.3 à 2.4). En outre, le test des comètes a montré que les travailleurs qui ont déclaré être exposés aux poussières de MDF et/ou de mélaminé avaient des dommages à l'ADN significativement plus élevés que les deux travailleurs exposés à la poussière de bois naturel (sapin, épicéa, hêtre, chêne) et que les travailleurs du groupe témoin (p <.01). Enfin, la fréquence des MN dans les cellules nasales et buccales augmentent avec les années d'exposition aux poussières de bois. Par contre, il n'y a pas de relation dose-réponse concernant la génotoxicité due à l'exposition journalière à la poussière et aux HAP. Cette étude montre qu'une exposition aux HAP eu bien lieu lors des opérations de travail du bois. Les travailleurs exposés aux poussières de bois, et donc aux HAP, courent un risque plus élevé (génotoxicité) par rapport au groupe témoin. Étant donné que certains des HAP détectés sont reconnus potentiellement cancérogènes, il est envisageable que les HAP générés au cours du travail sur les matériaux de bois sont un des agents responsables de la génotoxicité de la poussière de bois et du risque élevé de SNC observé chez les travailleurs du secteur. Etant donné la corrélation entre augmentation de la fréquence des MN, le test des micronoyaux dans les cellules nasales et buccales constitue sans conteste un futur outil pour la biosurveillance et pour la détection précoce du risque de SNC chez les travailleurs. - Exposures to wood dust have been associated with an elevated risk of adenocarcinomas of the Dasal cavity and the paranasal sinuses (sinonasal cancer or SNC) among wood workers. Wood dust is recognized as a human carcinogen by the International Agency for Research on Cancer. However, the specific cancer causative agent(s) and the mechanism(s) behind wood dust related carcinogenesis remains unknown. One possible explanation is a co-exposure to wood dust and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), the latter being carcinogenic. In addition, wood workers are not only exposed to natural wood but also to wood finishes and composite woods such as wood melamine and medium density fiber (MDF) boards during the manipulation with power tools. The heat produced by the use of power tools can cause the generation of PAH from wood materials. The main objectives of the present thesis are to: (1) quantify possible PAH concentrations in wood dust generated during various common woodworking operations using different wood materials; (2) quantify personal wood dust concentrations and PAH exposures among wood workers; and (3) assess genotoxic effects (i.e., DNA and chromosomal damage) of wood dust and PAH exposure in wood workers. This thesis is composed by a laboratory study (objective 1) and a field study (objectives 2 and 3). In the laboratory study we collected wood dust from different wood materials (fir, MDF, beech, mahagany, oak, and wood melamine) generated during different wood operations (e.g., sanding and sawing) in an experimental chamber under controlled conditions. In the following field study, we monitored 31 male wood workers (furniture and construction workers) exposed to wood dust during their professional activity for two consecutive work shifts. Additionally, we recruited 19 non exposed workers as a control group. We collected from each participant blood samples, and nasal and buccal cell samples. They answered a questionnaire including demographic and life-style data and occupational exposure (current and past). Personal wood dust samples were collected using a closed-face cassette. We used gravimetrie analysis to determine the personal wood dust concentrations and capillary gas chromatography - mass spectrometry analysis to determine PAH concentrations. Genotoxicity was assessed with the micronucleus (MN) assay for nasal and buccal cells and with the comet assay for blood samples. Our results show that PAH (some of them carcinogenic) were present in dust from all six wood materials tested, yet at different concentrations depending on the material. The highest concentration was found in dust from wood melamine (7.95 ppm) and the lowest in MDF (0.24 ppm). Our results also show that workers were individually exposed to low concentrations of PAHs (37.5-119.8 ng m"3) during wood working operations, whereas the concentrations of inhalable dust were relatively high (geometric mean 2.8 mg m"3). Concerning the genotoxicity, wood workers had a significantly higher MN frequency in nasal and buccal cells than the workers in the control group (odds ratio for nasal cells 3.1 (95%CI 1.8-5.1) and buccal cells 1.8 (95%CI 1.3-2.4)). Furthermore, the comet assay showed that workers who reported to be exposed to dust from wooden boards (MDF and wood melamine) had significantly higher DNA damage than both the workers exposed to natural woods (fir, spruce, beech, oak) and the workers in the control group (p < 0.01). Finally, MN frequency in nasal and buccal cells increased with increasing years of exposure to wood dust. However, there was no genotoxic dose-response relationship with the per present day wood dust and PAH exposure. This study shows that PAH exposure occurred during wood working operations. Workers exposed to wood dust, and thus to PAH, had a higher risk for genotoxicity compared to the control group. Since some of the detected PAH are potentially carcinogenic, PAH generated from operations on wood materials may be one of the causative agents for the observed increased genotoxicity in wood workers. Since increased genotoxicity is manifested in an increased MN frequency, the MN assay in nasal and buccal cells may become a relevant biomonitoring tool in the future for early detection of SNC risk.

Regulation of mass and function of pancreatic β-cells: identification of anti-apoptotic peptides and role of GLP-1

Résumé La masse de cellules β sécrétrices d'insuline est un tissu dynamique qui s'adapte aux variations de la demande métabolique pour assurer une normoglycémie. Cette adaptation se fait par un changement de sécrétion d'insuline et de la masse totale des cellules β. Une perte complète ou partielle des cellules β conduit respectivement à un diabète de type 1 et de type 2. Les mécanismes qui régulent la masse de cellules β et maintiennent leur phénotype differencié sont encore peu connus. Leur identification est nécessaire pour comprendre le développement du diabète et développer des stratégies de traitement. La greffe d'îlots est une approche thérapeutique prometteuse pour le diabète de type 1, mais est limitée par une perte précoce des cellules β due à une apoptose induite par des cytokines. Afin d'améliorer la survie des cellules β lors de la greffe d'îlots, le premier but était de trouver des peptides pouvant bloquer l'apoptose induite par FasL et TNF-α. Pour ce faire, deux librairies de phages ont été criblées pour sélectionner des peptides se liant au Fas DD ou au TNFRl DD. Nous avons identifié six peptides différents. Cependant, aucun d'entre eux n'était capable de protéger les cellules de l'apoptose induite par FasL ou TNF-α. Deuxièmement, le GLP-1 est une hormone qui stimule la sécrétion d'insuline, et est impliquée dans la prolifération des cellules β, la différentiation, et inhibe l'apoptose. Nous avons fait l'hypothèse que le GLP-1 joue un rôle crucial dans le contrôle de la masse et de la fonction des cellules β. Afin de l'évaluer, une analyse par puce à ADN a été réalisée en comparant des cellules βTC-Tet traitées avec du GLP-1 à des cellules non-traitées. 376 gènes régulés ont été identifiés, dont RGS2, CREM, ICERI et DUSP14, augmentés significativement par le GLP-1. Nous avons confirmé que le GLP-1 augmente l'expression de ces gènes, aussi bien au niveau des transcripts que des protéines. De plus, nous avons montré que le GLP-1 induit leur expression par activation de la voie cAMP/PKA, et nécessite l'entrée de calcium extracellulaire. D'après leur fonction biologique, nous avons ensuite supposé que ces gènes pourraient agir comme régulateurs négatifs de la signalisation du GLP-l, et donc freiner son effet proliférateur. Pour vérifier notre hypothèse, des siRNAs contre ces gènes ont été développés, et leurs effets sur la prolifération des cellules β seront évalués ultérieurement. Abstract The pancreatic β-cell mass is a dynamic tissue which adapts to variations in metabolic demand in order to ensure normoglycemia. This adaptation occurs through a change in both insulin secretion and the total mass of ,β-cells. An absolute or relative loss of β-cells leads to type 1 and type 2 diabetes, respectively. The mechanisms that regulate the pancreatic β-cell mass and maintain the fully differentiated phenotype of the insulin-secreting β-cells are only poorly defined. Their identification is required to understand the progression of diabetes, but also to design strategies for the treatment of diabetes. Islet transplantation is a promising therapeutic approach for type 1 diabetes, but it is still limited by an early graft loss due to cytokine-induced apoptosis. In order to improve β-cell survival during islet transplantation, our first goal was to find novel blockers of FasL- and TNF-α-mediated cell death in the form of peptides. To that end, we screened two phage display libraries to select Fas DD- or TNFR1 DD-binding peptides. We identified six different small peptides. However, none of these peptides was able to prevent cells from FasL- or TNF-α-mediated apoptosis. Secondly, GLP-1 is a hormone that has been shown to stimulate insulin secretion and to be involved in β-cell proliferation, differentiation and inhibition of apoptosis. We hypothesized that GLP-1 plays a crucial role to control mass and function of β-cells. To evaluate this hypothesis, we performed a cDNA microarray analysis with GLP-1-treated βTC-Tet cells compared to untreated cells. We found 376 regulated genes, among these, RGS2, CREM, ICERI and DUSP14, which were significantly upregulated by GLP-1. We confirmed that both their mRNA and protein levels were strongly and rapidly increased after GLP-1 treatment. Moreover, we found that GLP-1 activates their expression mainly through the activation of the cAMP/PKA signaling pathway, and requires extracellular calcium entry. According to their biological function, we then hypothesized that these genes might act as negative regulators of the GLP-1 signaling. In particular, they might brake the effects of GLP-1 on β-cell proliferation. To verify this hypothesis, siRNAs against these genes were developed. The effect of these siRNAs on GLP-1-induced β-cell proliferation will be evaluated later.

Regulation of the activity of DnaA and its role during the cell cycle of caulobacter crescentus

The initiation of chromosomal replication must be tightly regulated so that the genome is replicated only once per cell cycle. In most bacteria, DnaA binds to the origin of replication and initiates chromosomal replication. DnaA is a dual-function protein that also acts as an important transcription factor that regulates the expression of many genes in bacteria. Thus, understanding how this protein is regulated during the bacterial cell cycle is of major importance. The α-proteobacterium Caulobacter crescentus is an excellent model to study the bacterial cell cycle, mainly because it is possible to isolate synchronized cell cultures and because it initiates the replication of its chromosome once per cell cycle and at a specific time of the cell cycle. This latest feature is of special interest for the major aim of my thesis work, which focused on the temporal and spatial regulation of the activity of the essential DnaA protein in C. crescentus. In Escherichia coli, the Hda protein converts ATP-DnaA into ADP- DnaA by stimulating the ATPase activity of DnaA, to prevent over-initiation of chromosome replication. We propose that there exists a similar mechanism in C. crescentus, which is not only involved in the temporal control of chromosome replication, but also in the control of gene expression. First, we provided evidences indicating that the hydrolysis of the ATP bound to DnaA is essential for the viability of C. crescentus. Our results suggest that ATP-DnaA promotes the initiation of chromosome replication, since we found that cells over-expressing a DnaA protein with a mutated ATPase domain, DnaA(R357A), over-initiated chromosome replication, unlike cells expressing the wild-type DnaA protein at similar levels. By contrast, the DnaA(R357A) protein was less active than DnaA in promoting the transcription of three essential genes, suggesting that these may be more efficiently activated by ADP-DnaA than ATP-DnaA. We propose that the ATP-DnaA to ADP-DnaA switch down-regulates the initiation of DNA replication while activating the transcription of several essential genes involved in subsequent cell cycle events. Second, we studied the role of the HdaA protein, homologous to Hda, in promoting the ATP- DnaA to ADP-DnaA switch in C. crescentus. HdaA is essential for viability and its depletion in the cell leads to an over-replication of the chromosome, indicating that HdaA is a negative regulator of DNA replication. HdaA dynamically co-localizes with the replisome. In this work, we identified DnaN, the β-clamp of the DNA polymerase, as the replisome component that interacts directly with HdaA and that recruits HdaA to the replisome in live C. crescentus cells. We also showed that a mutant HdaA protein that cannot interact or co-localize with DnaN is not functional, indicating that HdaA is probably activated by DnaN. However, we found that another non-functional HdaA protein, mutated in the conserved Arginine finger of its AAA+ domain, was able to localize at the replisome, suggesting that the AAA+ domain of HdaA exerts its essential function after the recruitment of HdaA to the replisome. We propose that HdaA stimulates the ATPase activity of DnaA once DNA replication is ongoing, via its interaction with DnaN and the activity of the two conserved R fingers of DnaA and HdaA. Finally, we created different strains in which HdaA, DnaN or DnaA were over-produced. We observed that the over-production of HdaA seems to lead to a delay in chromosome replication, while the over-production of DnaN had an opposite effect. Our results also indicate that the over-production of DnaA may intensify the over-initiation phenotype of cells depleted for HdaA. We conclude that the dynamic interplay of HdaA and DnaN in the cell contributes to regulating the ATP-DnaA/ADP-DnaA ratio in the cell, to ensure once per cell cycle initiation of chromosomal replication in C. crescentus. Altogether, our work provided important information on the regulation of the activity of DnaA in C. crescentus. Since DnaA, HdaA and DnaN are well-conserved proteins, most of our findings are useful to understand how chromosome replication and gene expression are controlled by DnaA in many other bacterial species. - L'initiation de la réplication des chromosomes doit être précisément régulée de telle sorte que le génome ne soit répliqué qu'une seule fois par cycle cellulaire. Chez la plupart des bactéries, DnaA se lie à l'origine de réplication du chromosome et en initie sa réplication. DnaA est aussi un facteur de transcription qui régule l'expression de nombreux gènes bactériens. De ce fait, il est très important de comprendre comment DnaA est régulée au cours du cycle cellulaire bactérien. L'a-protéobactérie Caulobacter crescentus est un excellent modèle pour étudier le cycle cellulaire bactérien, essentiellement parce qu'il est aisé d'isoler des populations de cellules synchronisées à la même étape du cycle cellulaire et parce que cette bactérie n'initie la réplication de son chromosome qu'une seule fois et à un moment précis de son cycle. Cette dernière caractéristique est particulièrement pertinente pour l'objectif de mon travail doctoral, qui consistait à comprendre comment l'activité de la protéine essentielle DnaA est régulée dans l'espace et dans le temps chez C. crescentus. Chez Escherichia coli, la protéine Hda convertie DnaA-ATP en DnaA-ADP en stimulant l'activité ATPasique de DnaA, ce qui empêche la sur-initiation de la réplication du chromosome. Nous proposons qu'un mécanisme similaire existe chez C. crescentus. Il serait non seulement nécessaire au contrôle de la réplication du chromosome, mais aussi au contrôle de l'expression de certains gènes. Dans un premier temps, nous avons mis en évidence le fait que l'hydrolyse de l'ATP lié à DnaA est un processus essentiel à la viabilité de C. crescentus. Nos résultats suggèrent que DnaA-ATP initie la réplication du chromosome, comme nous avons observé que des cellules qui sur-expriment une protéine DnaA(R357A) mutée sans domaine ATPasique fonctionnel, sur-initie la réplication de leur chromosome, contrairement aux cellules qui sur-expriment la protéine DnaA sauvage à des niveaux équivalents. Au contraire, la protéine DnaA(R357A) était moins active que la protéine DnaA sauvage pour promouvoir la transcription de trois gènes essentiels, ce qui suggère que ces derniers sont peut-être plus efficacement activés par DnaA-ADP que DnaA-ATP. Nous proposons que la conversion de DnaA-ATP en DnaA-ADP réprime l'initiation de la réplication, tandis qu'elle active la transcription de plusieurs gènes impliqués dans des étapes plus tardives du cycle cellulaire. Dans un deuxième temps, nous avons étudié le rôle de la protéine HdaA, homologue à Hda, dans la conversion de DnaA-ATP en DnaA-ADP chez C. crescentus. Cette protéine est essentielle à la viabilité de C. crescentus et sa déplétion donne des cellules qui sur-initient la réplication de leur chromosome, suggérant que HdaA est un répresseur de la réplication du chromosome. HdaA co-localise de manière dynamique avec le réplisome. Lors de mon travail doctoral, nous avons démontré que DnaN, le β-clamp de l'ADN polymérase, est l'élément qui recrute HdaA au réplisome in vivo. Nous avons aussi montré qu'une protéine HdaA mutante qui ne peut pas interagir ou co-localiser avec DnaN, n'est pas fonctionnelle, ce qui suggère que HdaA est activée par DnaN. Nous avons néanmoins aussi isolé une autre protéine HdaA non fonctionnelle, dont une arginine conservée de son domaine AAA+ était mutée, mais qui pouvait toujours co-localiser avec le réplisome, ce qui suggère que le domaine AAA+ de HdaA est nécessaire après le recrutement de HdaA au réplisome. Nous proposons que HdaA stimule l'activité ATPasique de DnaA qu'une fois que la réplication a commencé, grâce à son interaction avec DnaN et aux deux arginines conservées des protéines HdaA et DnaA. Finalement, nous avons construit différentes souches sur-exprimant HdaA, DnaN ou DnaA. Nous avons observé que la sur-production de HdaA retarde la réplication du chromosome, tandis que la sur-production de DnaN a un effet opposé. Nos observations suggèrent aussi que la sur-expression de DnaA dans des cellules déplétées pour HdaA aggrave leur phénotype de sur-initiation. Nous en concluons que HdaA et DnaN collaborent étroitement et de manière dynamique pour réguler le rapport DnaA-ATP/DnaA-ADP dans la cellule, pour s'assurer que la réplication du chromosome ne soit initiée qu'une seule fois par cycle cellulaire chez C. crescentus. Globalement, notre travail a mis en évidence des informations importantes sur la régulation de l'activité de DnaA chez C. crescentus. Comme DnaA, HdaA et DnaN sont des protéines très conservées, la plupart de nos découvertes sont utiles pour mieux comprendre comment la réplication du chromosome bactérien et l'expression des gènes sont contrôlées par DnaA chez de nombreuses autres espèces bactériennes.

The role of PLK-1 in asynchronous cell division of two-cell stage "C. elegans" embryos

Summary Acquisition of lineage-specific cell cycle duration is an important feature of metazoan development. In Caenorhabditis a/egans, differences in cell cycle duration are already apparent in two-cell stage embryos, when the larger anterior blastomere AB divides before the smaller posterior blastomere P1. This time difference is under the control of anterior-posterior (A-P) polarity cues set by the PAR proteins. The mechanism by which these cues regulate the cell cycle machinery differentially in AB and P1 are incompletely understood. Previous work established that retardation of P1 cell division is due in part to preferential activation of an ATL1/CHK-1 dependent checkpoint in P1 but how the remaining time difference is controlled was not known at the onset of my work. The principal line of work in this thesis established that differential timing relies also on a mechanism that promotes mitosis onset preferentially in AB. The polo-like kinase PLK-1, a positive regulator of mitotic entry, is distributed in an asymmetric manner in two-cell stage embryos, with more protein present in AB than in P1. We find that PLK-1 asymmetry is regulated by anterior-posterior (A-P) polarity cues through preferential protein retention in the embryo anterior. Importantly, mild inactivation of plk-1 by RNAi delays entry into mitosis in P1 but not in AB, in a manner that is independent of ATL-1/CHK-1. Together, these findings favor a model in which differential timing of mitotic entry in C. elegans embryos relies on two complementary mechanisms: ATL-1/CHK-1 dependent preferential retardation in P1 and PLK-1 dependent preferential promotion in AB, which together couple polarity cues and cell cycle progression during early development. Besides analyzing PLK-1 asymmetry and its role in differential timing of two-cells stage embryos, we also characterized t2190, a mutant that exhibits reduced differential timing between AB and P1. We found this mutant to be a new allele of par-1. Additionally, we analyzed the role of NMY-2 in regulating the asynchrony of two-cell stage embryos, which may be uncoupled from its role in A-P polarity establishment and carried out a preliminary analysis of the mechanism underlying CDC-25 asymmetry between AB and P,. Overall, our works bring new insights into the mechanism controlling cell cycle progression in early C. elegans embryos. As most of the players important in C. elegans are conserved in other organisms, analogous mechanisms may be utilized in polarized cells of other species. Résumé Au cours du développement, les processus de division cellulaire sont régulés dans l'espace et le temps afin d'aboutir à la formation d'un organisme fonctionnel. Chez les Métazoaires, l'un des mécanismes de contrôle s'effectue au niveau de la durée du cycle cellulaire, celle-ci étant specifiée selon la lignée cellulaire. L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans apparaît comme un excellent modèle d'étude de la régulation temporelle du cycle cellulaire. En effet, suite à la première division du zygote, l'embryon est alors composé de deux cellules de taille et d'identité différentes, appelées blastomères AB et P1. Ces deux cellules vont ensuite se diviser de manière asynchrone, le grand blastomère antérieur AB se divisant plus rapidement que le petit blastomère postérieur P1. Cette asynchronie de division est sous le contrôle des protéines PAR qui sont impliquées dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. A ce jour, les mécanismes moléculaires gouvernant ce processus d'asynchronie ne sont que partiellement compris. Des études menées précédemment ont établit que le retard de division observé dans le petit blastomère postérieur P1 était dû, en partie, à l'activation préférentielle dans cette cellule de ATL-1/CHK-1, protéines contrôlant la réponse à des erreurs dans le processus de réplication de l'ADN. L'analyse des autres mécanismes responsables de la différence temporelle d'entrée en mitose des deux cellules a été entreprise au cours de cette thèse. Nous avons considéré la possibilité que l'asynchronie de division était du à l'entrée préférentielle en mitose du grand blastomère AB. Nous avons établi que la protéine kinase PLK-1 (polo-like kinase 1), impliquée dans la régulation positive de la mitose, était distribuée de manière asymétrique dans l'embryon deux cellules. PLK-1 est en effet enrichi dans le blastomère AB. Cette localisation asymétrique de PLK-1 est sous le contrôle des protéines PAR et semble établie via une rétention de PLK-1 dans la cellule AB. Par ailleurs, nous avons démontré que l'inactivation partielle de plk-7 par interférence à ARN (RNAi) conduit à un délai de l'entrée en mitose de la cellule P1 spécifiquement, indépendamment des protéines régulatrices ATL-1/CHK-1. En conclusion, nous proposons un modèle de régulation temporelle de l'entrée en mitose dans l'embryon deux cellules de C. elegans basé sur deux mécanismes complémentaires. Le premier implique l'activation préférentielle des protéines ATL-1/CHK-1, et conduit à un retard d'entrée en mitose spécifiquement dans la cellule P1. Le second est basé sur la localisation asymétrique de la protéine kinase PLK-1 dans la cellule AB et induit une entrée précoce en mitose de cette cellule. Par ailleurs, nous avons étudié un mutant appelé t2190 qui réduit la différence temporelle d'entrée en mitose entre les cellules AB et P1. Nous avons démontré que ce mutant correspondait à un nouvel allèle du Bene par-1. De plus, nous avons analysé le rôle de NMY-2, une protéine myosine qui agit comme moteur moléculaire sur les filaments d'active; dans la régulation de l'asynchronie de division des blastomères AB et P1, indépendamment de sa fonction dans l'établissement de l'axe antéro-postérieur. Par ailleurs, nous avons commencé l'étude du mécanisme moléculaire régulant la localisation asymétrique entre les cellules AB et P1 de la protéine phosphatase CDC25, qui est également un important régulateur de l'entrée en mitose. En conclusion, ce travail de thèse a permis une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la progression du cycle cellulaire dans l'embryon précoce de C. elegans. Etant donné que la plupart des protéines impliquées dans ces processus sont conservées chez d'autres organismes multicellulaires, il apparaît probable que les mécanismes moléculaires révélés dans cette étude soit aussi utilisés chez ceux-ci.

Molecular genetics of narcolepsy

1 Abstract Sleep is a vital necessity, yet its basic physiological function is still unknown, despite numerous studies both in healthy humans and animal models. The study of patients with sleep disorders may help uncover major biological pathways in sleep regulation and thus shed light on the actual function of sleep. Narcolepsy is a well defined but rare sleep disorder characterized by excessive daytime sleepiness and cataplexy, thought to be caused by a combination of genetic and environmental factors. The aim of this work was to identify genes or genetic variants, which contribute to the pathogenesis of sporadic and familial narcolepsy. Sporadic narcolepsy is the disorder with the strongest human leukocyte antigen (HLA) association ever reported. Since the associated HLA-DRB1 *1501-DQB1 *0602 haplotype is common in the general population (15-25%), it has been suggested that it is necessary but not sufficient for developing narcolepsy. To further define the genetic basis of narcolepsy risk, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 562 European individuals with narcolepsy (cases) and 702 ethnically matched controls, with independent replication in 370 cases and 495 controls, all heterozygous for DRB1*1501-DQB1*0602. We found association with a protective variant near HLA-DQA2. Further analysis revealed that the identified SNP is strongly linked to DRB1*03-DQB1*02 and DRBΠ 301-DQB1*0603. Cases almost never carried a trans DRB1*1301-DQB1*0603 haplotype. This unexpected protective HLA haplotype suggests a causal involvement of the HLA region in narcolepsy susceptibility. Familial cases of narcolepsy account for 10% of all narcolepsy cases. However, due to low number of affected family members, narcolepsy families are usually not eligible for genetic linkage studies. We identified and characterized a large Spanish family with 11 affected family members representing the largest ever reported narcolepsy family. We ran a genetic linkage analysis using DNA of 11 affected and 15 unaffected family members and hereby identified a chromosomal candidate region on chromosome 6 encompassing 163 kb with a maximum multipoint LOD score of 5.02. The coding sequences of 4 genes within this haplotype block as well as 2 neighboring genes were screened for pathogenetic mutations in 2 affected and 1 healthy family members. So far no pathogenic mutation could be identified. Further in-depth sequencing of our candidate region as well as whole genome exome sequencing are underway to identify the pathogenic mutation(s) in this family and will further improve our understanding of the genetic basis of narcolepsy. 2 Résumé Le sommeil est un processus vital, dont la fonction physiologique est encore inconnue, malgré de nombreuses études chez des sujets humains sains ainsi que dans des modèles animaux. L'étude de patients souffrant de troubles du sommeil peut permettre la découverte de voies biologiques jouant un rôle majeur dans la régulation du sommeil. L'un de ces troubles, la narcolepsie, est une maladie rare mais néanmoins bien définie, caractérisée par une somnolence diurne excessive accompagnée de cataplexies. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Le but du présent travail était d'identifier !e(s) gène(s) ou les polymorphismes constituant des facteurs de risque dans les formes sporadique et familiale de narcolepsie. La narcolepsie sporadique est la maladie possédant la plus forte association avec le complexe majeur d'histocompatibilité humain (HLA) jamais reportée. La fréquence au sein de la population générale de l'haplotype associé HLA-DRB1*1501- DQB1*0602 (15-25%) suggère que ce dernier est nécessaire, mais pas suffisant, pour (e développement de la maladie. Nous avons voulu approfondir la recherche de facteurs génétiques augmentant le risque de la narcolepsie. A cette fin, nous avons entrepris une étude d'association à l'échelle du génome (genome-wide association study, GWAS) parmi 562 sujets narcoleptiques européens (cas) et 702 individus contrôle de même origine ethnique et nous avons trouvé une association avec un variant protecteur près du gène HLA- DQA2. Ce résultat a été répliqué indépendamment dans 370 cas et 495 contrôles, tous hétérozygotes au locus DRB1*1501-DQB1*0602. Une analyse plus fine montre que le polymorphisme identifié est fortement lié aux allèles DRB1*03-DQB1*02 et DRB1*1301-DQB1*0603. Nous notons que seul un cas était porteur d'un haplotype en trans DRB1*1301-DQBr0603. La découverte de cet allele HLA protecteur suggère que la région HLA joue un rôle causal dans la susceptibilité à la narcolepsie. Dix pourcents des cas de narcolepsie sont familiaux. Cependant, le faible nombre de membres affectés rend ces familles inéligibles pour des études de liaison génétique. Nous avons identifié et caractérisé une grande famille espagnole, dont 11 membres sont atteints par la maladie, ce qui représente la plus grande famille narcoleptique rapportée jusqu'à ce jour. A partir de l'ADN de 11 membres atteints et 15 non- atteints, nous avons identifié par étude de liaison une région candidate de 163 kîlobases (kb) sur le chromosome 6, correspondant à un LOD score multipoints de 5.02. Nous avons cherché, sans succès, des mutations pathogéniques dans la séquence codante de deux gènes situés à l'intérieur de ce segment, ainsi que 4 gènes adjacents. Un séquençage plus approfondi de la région ainsi que le séquençage des exons de tout le génome est en cours et doit s'avérer plus fructueux et révéler la ou tes mutation(s) pathogénique(s) dans cette famille, ce qui contribuerait à une meilleure compréhension des causes génétiques de la narcolepsie. 3 Résumé pour un large public Le sommeil est une nécessité vitale, dont le rôle physiologique exact reste inconnu malgré de nombreuses études sur des sujets humains sains ainsi que sur des modèles animaux. C'est pourquoi les troubles du sommeil intéressent les chercheurs, car l'élucidation des mécanismes responsables peut permettre de mieux comprendre le fonctionnement du sommeil normal. La narcolepsie est une maladie du sommeil caractérisée par une somnolence diurne excessive. Les personnes atteintes peuvent s'endormir involontairement à tout moment de la journée, et souffrent également de pertes du tonus musculaire (cataplexie) lors de fortes émotions, par exemple un fou rire. La narcolepsie est une maladie rare, apparaissant dans 1 personne sur 2000. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Nous avons voulu identifier les facteurs génétiques influençant le déclenchement de la maladie, d'abord dans sa forme sporadique, puis dans une famille comptant de nombreux membres atteints. En comparant les variations génétiques de près de 1000 sujets narcoleptiques européens avec ceux de 1200 individus sains, nous avons trouvé chez 30% de ces derniers un variant protecteur, qui diminue de 50 fois le risque de développer la maladie, ce qui constitue le plus puissant facteur génétique protecteur décrit à ce jour. Nous avons ensuite étudié une grande famille espagnole comptant une trentaine de membres, dont 11 sont atteints de narcolepsie. De nouveau, nous avons comparé les variations génétiques des membres atteints avec ceux des membres sains. Nous avons ainsi pu identifier une région dans le génome où se trouverait le(s) gène(s) impliqué(s) dans la maladie dans cette famille, mais n'avons pas encore trouvé le(s) variant(s) exact(s). Une étude plus approfondie devrait permettre de P(les) identifier et ainsi contribuer à l'élucidation des mécanismes menant au développement de la narcolepsie.

Mechanisms of interaction of therapeutic nanoparticles with cells

Nanoparticles (NPs) have gained a lot of interest in recent years due to their huge potential for applications in industry and medicine. Their unique properties offer a large number of attractive possibilities in the biomedical field, providing innovative tools for diagnosis of diseases and for novel therapies. Nevertheless, a deep understanding of their interactions with living tissues and the knowledge about their possible effects in the human body are necessary for the safe use of nanoparticulate formulations. The aim of this PhD project was to study in detail the interactions of therapeutic NPs with living cells, including cellular uptake and release, cellular localization and transport across the cell layers. Moreover, the effects of NPs on the cellular metabolic processes were determined using adapted in vitro assays. We evaluated the biological effect of several NPs potentially used in the biomedical field, including titanium dioxide (Ti02) NPs, 2-sized fluorescent silica NPs, ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) NPs, either uncoated or coated with oleic acid or with polyvinylamine (aminoPVA) and poly(lactic-co-glycolic acid) - polyethylene-oxide (PLGA-PEO) NPs. We have found that the NPs were internalized by the cells, depending on their size, chemical composition, surface coating and also depending on the cell line considered. The uptake of aminoPVA-coated USPIO NPs by endothelial cells was enhanced in the presence of an external magnetic field. None of the tested USPIO NPs and silica NPs was transported across confluent kidney cell layers or brain endothelial cell layers, even in the presence of a magnetic field. However, in an original endothelium-glioblastoma barrier model which was developed, uncoated USPIO NPs were directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells. Following uptake, Ti02 NPs and uncoated USPIO NPs were released by the kidney cells, but not by the endothelial cells. Furthermore, these NPs induced an oxidative stress and autophagy in brain endothelial cells, possibly associated with their enhanced agglomeration in cell medium. A significant DNA damage was found in brain endothelial cells after their exposure to TiO2NPs. Altogether these results extend the existing knowledge about the effects of NPs on living cells with regard to their physicochemical characteristics and provide interesting tools for further investigation. The development of the in vitro toxicological assays with a special consideration for risk evaluation aims to reduce the use of animal experiments. -Les nanoparticules (NPs) présentent beaucoup d'intérêt dans le domaine biomédical et industriel. Leurs propriétés uniques offrent un grand nombre de possibilités de solutions innovantes pour le diagnostique et la thérapie. Cependant, pour un usage sûr des NPs il est nécessaire d'acquérir une connaissance approfondie des mécanismes d'interactions des NPs avec les tissus vivants et de leur effets sur le corps humain. Le but de ce projet de thèse était d'étudier en détail les mécanismes d'interactions de NPs thérapeutiques avec des cellules vivantes, en particulier les mécanismes d'internalisation cellulaire et leur subséquente sécrétion par les cellules, leur localisation cellulaire, leur transport à travers des couches cellulaires, et l'évaluation des effets de NPs sur le métabolisme cellulaire, en adaptant les méthodes existante d'évaluation cyto-toxico logique s in vitro. Pour ces expériences, les effets biologiques de nanoparticules d'intérêt thérapeutique, telles que des NPs d'oxyde de titane (TiO2), des NPs fluorescents de silicate de 2 tailles différentes, des NPs, d'oxyde de fer super-para-magnétiques ultra-petites (USPIO), soit non- enrobées soit enrobées d'acide oléique ou de polyvinylamine (aminoPVA), et des NPs d'acide poly(lactique-co-glycolique)-polyethylene-oxide (PLGA-PEO) ont été évalués. Les résultats ont démontré que les NPs sont internalisées par les cellules en fonction de leur taille, composition chimique, enrobage de surface, et également du type de cellules utilisées. L'internalisation cellulaire des USPIO NPs a été augmentée en présence d'un aimant externe. Aucune des NPs de fer et de silicate n'a été transportée à travers des couches de cellules épithéliales du rein ou endothéliales du cerveau, même en présence d'un aimant. Cependant, en développant un modèle original de barrière endothélium-glioblastome, un transfert direct de NPs d'oxyde de fer de cellule endothéliale à cellule de glioblastome a été démontré. A la suite de leur internalisation les NPs d'oxyde de fer et de titane sont relâchées par des cellules épithéliales du rein, mais pas des cellules endothéliales du cerveau. Dans les cellules endothéliales du cerveau ces NPs induisent en fonction de leur état d'agglomération un stress oxydatif et des mécanismes d'autophagie, ainsi que des dommages à l'ADN des cellules exposées aux NPs d'oxyde de titane. En conclusion, les résultats obtenus élargissent les connaissances sur les effets exercés par des NPs sur des cellules vivantes et ont permis de développer les outils expérimentaux pour étudier ces effets in vitro, réduisant ainsi le recours à des expériences sur animaux.

Studying the molecular causes of ageing in ants

RÉSUMÉ DE THÈSE Au cours de ma thèse, je me suis intéressée aux causes physiologiques du vieillissement en utilisant les fourmis comme modèle. Les trois castes de fourmis - les mâles, les ouvrières et les reines - présentent des longévités très différentes, tout en étant génétiquement identiques. Ceci implique que les différences de longévité sont dues à des variations entre castes dans le pattern d'expression de gènes. Mon travail chez la fourmi a consisté d'une part à mettre en place les outils pour identifier de tels gènes à grande échelle, de l'autre à étudier le rôle de gènes et de mécanismes qui affectent la longévité chez d'autres espèces. Pour identifier de nouveaux gènes potentiellement impliqués dans le vieillissement, nous avons développé des puces à ADN. Cette technique permet la comparaison du niveau d'expression de milliers de gènes entre deux échantillons. L'application de cette méthode aux reines et ouvrières adultes nous a jusqu'à présent permis d'identifier neuf gènes surexprimés chez les reines. Trois d'entre eux sont potentiellement impliqués dans le maintien et la réparation du soma, deux processus qui sont supposés avoir un impact crucial sur la longévité. Parmi les mécanismes impliqués dans le vieillissement chez d'autres espèces, nous nous sommes principalement intéressés aux télomères, qui sont les extrémités des chromosomes. Chez les vertébrés, les télomères se raccourcissent à chaque division cellulaire, entre autres parce que l'ADN polymérase ne peut répliquer cette partie des chromosomes en entier. Or des télomères courts entravent la prolifération des cellules et peuvent même induire l'apoptose, ce qui pourrait se répercuter sur la capacité des organismes à régénérer des tissus. J'ai pu montrer que chez les fourmis mâles (la caste qui vit le moins longtemps) les télomères se raccourcissent beaucoup plus vite que chez les reines et les ouvrières. L'explication la plus plausible pour cette différence est que les mâles, étant adapté à une vie très éphémère, n'investissent qu'un minimum d'énergie dans la machinerie de maintenance qui assure le bon fonctionnement des cellules. Ces résultats sont intéressants car ils permettent pour la première fois de faire le lien entre les théories évolutives du vieillissement et la biologie des télomères. THESIS ABSTRACT During my thesis I used ants as a model to study the proximate (i.e., molecular) causes of ageing and lifespan determination. Ant queens, workers and males differ tremendously in lifespan, although all three castes are genetically identical. Importantly, this implies that genes and molecular pathways responsible for modulating lifespan are regulated in a caste-specific manner. To find new genes potentially involved in ageing, we first constructed 371-gene-cDNA microarrays for the ant L. niger. This molecular tool can be used to survey the relative gene expression levels of two samples for thousands of genes simultaneously. By applying this method to adult queens and workers we identified nine genes that are overexpressed in queens. Three of them are putatively involved in somatic maintenance and repair, two processes that have been previously suggested as important for ageing and lifespan determination. We expect to identify many more candidate genes in the near future by using the 9000-gene fire ant microarrays we have recently developed. We also investigated whether factors linked to ageing in other organisms could affect lifespan determination in ants. One project was on telomeres, the ends of linear chromosomes. For various reasons telomeres shorten with every cell division. Since short telomeres can lead to cellular defects such as impaired cell division, telomeres have been hypothesized as playing a role in ageing. We tested whether telomere length in ant somatic tissues correlates with caste-specific lifespan in young adults. The short-lived L. niger mates did indeed have significantly shorter telomeres than the longer-lived queens and workers, probably because telomere attrition is faster in males than in queens and workers. Queens did not, however, have longer telomeres than the shorter-lived workers. These findings are consistent with the idea that telomere length may play a role in ageing under some circumstances, but they also clearly demonstrate that other factors must be involved. We argue that sex-specific telomere length patterns in ants ultimately reflect adaptive differences in the level of somatic maintenance between males and females, and thus create a link between telomere biology and the evolutionary theory of ageing.

The JAK2/STAT3 pathway in the embryonic chick heart submitted to anoxia, reoxygenation and oxidant stress

SUMMARYAim: The embryonic/fetal heart is highly sensitive to oxygenation level and a transient uteroplacental hypoperfusion can lead to oxyradicals overproduction. Information about the molecular mechanisms underlying ischemia-reperfusion (I-R) injury in the developing heart is lacking. The Janus Kinase 2 / Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (JAK2/STAT3) pathway, required for cardiogenesis and involved in protection of the adult heart against I-R, could also play a key role in the response of the fetal myocardium to transient oxygen deprivation. The aim of the study was to characterize the involvement of JAK2/STAT3 pathway and its interaction with other signalling pathways in the developing heart transiently submitted to anoxia. Furthermore, the response of the embryonic heart to an exogenous oxidant stress (H2O2) in comparison to reoxygenation-induced endogenous oxyradicals has been investigated.Methods: Hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to anoxia (30min) and reoxygenation (80min) with or without the antioxidant MPG, the JAK2/STAT3 inhibitor AG490 or exposed to H202 (50|iM-lmM). The time course of phosphorylation of STAT3atyr0Sine7 and Reperfusion Injury Salvage Kinase (RISK) proteins (PI3K, Akt, GSK3B, Glycogen Synthase and ERK2) was determined in homogenate" and in enriched nuclear and cytoplasmic fractions. The STAT3 DNA-binding was determined by EMSA and the expression of STAT3 specific target genes by RT-PCR. The chrono-, dromo- and inotropic disturbances were also investigated by ECG and mechanical recordings.Results: Phosphorylation of STATSaP (P-Tyr STAT3a) was increased by reoxygenation and reduced by MPG or AG490. STAT3 and GSK36 were detected both in nuclear and cytoplasmic fractions while PI3K, Akt, GS and ERK2 were restricted to cytoplasm. Reoxygenation led to nuclear accumulation of STAT3 but unexpectedly without DNA- binding. AG490 decreased the reoxygenation-induced phosphorylation of STABa^, Akt, GS and ERK2 and phosphorylation/inhibition of GSK3B in the nucleus, exclusively. Inhibition of JAK2/STAT3 delayed recovery of atrial rate, worsened RR. variability and prolonged arrhythmias compared to control hearts. Cardiac activity was altered only at concentrations >500μΜ of H2O2. Moreover, ImM of H2O2 suppressed atrial activity in 45% of the hearts, atrioventricular conduction in 66% and augmented P-Tyr STAT3awhich led to an increase in the DNA-binding but no change in the expression of three STAT3 specific target genes (iNOS, MnSOD, Cox-2).Conclusion: In the developing heart, besides its nuclear translocation without transcriptional activity, ROS-activated STAT3a can rapidly interact with RISK proteins present in nucleus and cytoplasm and reduce the anoxia-reoxygenation-induced arrhythmias. Moreover, the embryonic heart is highly resistant to H2O2 and the atrial region is the less affected. The role of JAK2/STAT3 in the response to reoxygenation-induced oxyradicals is different from the response to strong exogenous oxidant stress where STAT3 DNA-binding activity is increased. Such findings provide a first step in understanding the modulation of signalling cascades in the fetal heart submitted to transient intrauterine oxygen deprivation.RESUMEIntroduction: Le coeur embryonnaire et foetal est très sensible au manque d'oxygène et une hypoperfusion utéroplacentaire transitoire peut conduire à une surproduction d'espèces radicalaires (ROS). Dans le coeur en développement les mécanismes moléculaires impliqués en situation d'ischémie-reperfusion (I-R) ne sont pas connus. La voie de signalisation JAK2/STAT3 (Janus Kinase 2 / Signal Transducer and Activator of Transcription 3), impliquée aussi bien dans la cardiogenèse précoce que dans la protection du coeur adulte contre l'I-R, pourrait jouer un rôle clé dans la réponse du myocarde foetal à un déficit en oxygène. Cette étude a permis d'étudier le rôle de la voie JAK2/STAT3 et son interaction avec d'autres voies de signalisation dans un modèle de coeur embryonnaire soumis à un épisode anoxique. En outre, les effets du stress oxydant endogène provoqué par la réoxygénation ont été comparés à ceux du stress oxydatif exogène induit par du peroxyde d'hydrogène (H2O2).Méthodes: Des coeurs isolés d'embryons de poulet âgés de 4 jours ont été soumis à une anoxie (30min) suivie d'une réoxygénation (80min) en présence ou non de l'antioxydant MPG et de l'inhibiteur de JAK2/STAT3 AG490 ou exposés à de 1Ή202 (50μΜ-1πιΜ). L'évolution temporelle de la phosphorylation de 8ΤΑΤ3α*ΓΟδίη6705 (P-Tyr STAT3a) et celle de la phosphorylation des protéines de la voie RISK (Reperfusion Injury Salvage Kinase: PI3K, Akt, GSK3B, glycogène synthase GS et ERK2) ont été déterminés dans l'homogénat et dans les fractions nucléaire et cytopiasmique du myocarde. La liaison de STAT3 à l'ADN a été déterminée par EMSA et l'expression de gènes cibles de STAT3 (iNOS, MnSOD, Cox2) par RT-PCR. Les effets chrono-, dromo- et inotropes ont été déterminés par les enregistrements de l'ECG et de l'activité contractile ventriculaire.Résultats: STAT3 et GSK3B étaient présents dans les fractions nucléaire et cytopiasmique tandis que PI3K, Akt, GS et ERK2 n'étaient détectées que dans la fraction cytopiasmique. L'augmentation de P-Tyr STAT3a provoquée par la réoxygénation était significativement réduite par le MPG ou PAG490. La réoxygénation entraînait l'accumulation nucléaire de STAT3, mais étonnamment sans liaison avec l'ADN. A la réoxygénation TAG490 diminuait la phosphorylation d'Akt, GS et ERK2 ainsi que celle de GSK36 mais exclusivement dans la fraction nucléaire. L'inhibition de JAK2/STAT3 retardait également la récupération du rythme cardiaque et prolongeait la durée des arythmies. L'activité cardiaque n'était perturbée par de ΓΗ2Ο2 qu'à des concentrations >500μΜ. A ImM, ΓΗ2Ο2 supprimait l'activité auriculaire dans 45% des coeurs et la conduction auriculo-ventriculaire dans 66% et augmentait la formation de P-Tyr STAT3a et sa liaison à l'ADN sans modifier l'expression des gènes cibles.Conclusion: Les ROS produits par l'anoxie-réoxygénation activent STAT3a qui subit une translocation dans le noyau sans se lier à l'ADN et interagit rapidement avec des protéines de la voie RISK dans les compartiments nucléaire et cytopiasmique du coeur embryonnaire. Ce dernier, en particulier au niveau des oreillettes, se révèle très résistant au puissant stress oxydatif de l'H202 qui se différencie du stress lié à la réoxygénation en favorisant la liaison de STAT3 à l'ADN. Ces résultats originaux permettent une meilleure compréhension des mécanismes qui peuvent améliorer la récupération du coeur en développement après un épisode hypoxique intra-utérin.

The DNA damage response to adeno-associated virus : centrosome overduplication and induction of cell death independently of the spindle checkpoint

Summary: Adeno-associated virus type 2 (AAV2) is a small virus containing single-stranded DNA of approximately 4.7kb in size. Both ends of the viral genome are flanked with inverted terminal repeat sequences (ITRs), which serve as primers for viral replication. Previous work in our laboratory has shown that AAV2 DNA with ultraviolet radiation-generated crosslinks (UV-AAV2) provokes a DNA damage response in the host cell by mimicking a stalled replication fork. Infection of cells with UV-AAV2 leads to a p53-and Chk1-mediated cell cycle arrest at the G2/M border of the cell cycle. However, tumour cells lacking the tumour suppressor protein p53 cannot sustain this arrest and enter a prolonged impaired mitosis, the outcome of which is cell death. The aim of my thesis was to investigate how UV-inactivated AAV2 kilts p53-deficient cancer cells. I found that the UV-AAV2-induced DNA damage signalling induces centriole overduplication in infected cells. The virus is able to uncouple the centriole duplication cycle from the cell cycle, leading to amplified centrosome numbers. Chk1 colocalises with centrosomes in the infected cells and the centrosome overduplication is dependent on the presence of Chk1, as well as on the activities of ATR and Cdk kinases and on the G2 arrest. The UV-AAV2-induced DNA damage signalling inhibits the degradation of cyclin B 1 and securin by the anaphase promoting complex, suggesting that the spindle checkpoint is activated in these mitotic cells. Interference with the spindle checkpoint components Mad2 and BubR1 revealed that the UV-AAV2-provoked mitotic catastrophe occurs independently of spindle checkpoint function, This work shows that, in the p53 deficient cells, UV-AAV2 triggers mitotic catastrophe associated with a dramatic Chk1-dependent overduplication of centrioles and the consequent formation of multiple spindle poles in mitosis. Résumé Le virus associé à l'adénovirus type 2 (AAV2) est un petit virus contenant un simple brin d'ADN d'environ 4.7kb. Des expériences antérieures dans notre laboratoire ont montré que les liens intramoléculaires sur l'ADN de AAV2 provoqués paz l'irradiation aux ultraviolets (UV) ressemblent à une fourche de réplication bloquée, ce qui provoque une réponse aux dommages à l'ADN dans la cellule hôte. L'infection des cellules avec UV-AAV2 résulte en un arrêt du cycle cellulaire à la transition G2/M entraîné par les protéines ATR et Chk1. Cependant, les cellules tumorales auxquelles il manque le suppresseur de tumeur p53 ne peuvent pas tenir cet arrêt et entrent dans une mitose anormale et prolongée qui se terminera par la mort cellulaire. Le but de ma thèse était d'étudier comment l'AAV2 inactivé par l'irradiation UV tue les cellules cancéreuses n'ayant pas p53. Je montre ici que le signal de dommages à l'ADN induit par UV-AAV2 génère une surduplication des centrioles dans les cellules infectées. Le virus est capable de dissocier le cycle de duplication du centriole du cycle cellulaire ce qui crée un nombre amplifié de centrosomes. Chk1 est co-localisé avec le centrosome dans les cellules infectées et la swduplication du centrosome est dépendante de la présence de Chk1, de l'activité des kinases ATR et Cdk et de l'arrêt en G2 de la cellule. Le signal d'ADN endommagé induit par UV-AAV2 réprime la dégradation des protéines cycline B1 et securine par le complexe promoteur de l'anaphase (APC), ce qui suggère que le point de contrôle du fuseau mitotique est activé dans ces cellules en mitose. L'étude d'interférence avec des éléments du point de contrôle du fuseau mitotique, Mad2 et BubR1, a révélé que la catastrophe mitotique provoquée paz UV-AAV2 survient indépendamment du point de contrôle du fuseau mitotique. Ce travail montre que dans les cellules déficientes en p53, UV-AAV2 induit une catastrophe mitotique associée à une surduplication des centrioles dépendant de Chk1 et ayant pour conséquence dramatique la formation de multiples fuseaux mitotiques dans la cellule en mitose.