Copy number variation and chromatin structure

The functional consequences of structural variation in the human genome range from adaptation, to phenotypic variation, to predisposition to diseases. Copy number variation (CNV) was shown to influence the phenotype by modifying, in a somewhat dose-dependent manner, the expression of genes that map within them, as well as that of genes located on their flanks. To assess the possible mechanism(s) behind this neighboring effect, we compared histone modification status of cell lines from patients affected by Williams-Beuren, Williams-Beuren region duplication, Smith-Magenis or DiGeorge Syndrome and control individuals using a high-throughput version of chromatin immuno-precipitation method (ChIP), called ChlP-seq. We monitored monomethylation of lysine K20 on histone H4 and trimethylation of lysine K27 on histone H3, as proxies for open and condensed chromatin, respectively. Consistent with the changes in expression levels observed for multiple genes mapping on the entire length of chromosomes affected by structural variants, we also detected regions with modified histone status between samples, up- and downstream from the critical regions, up to the end of the rearranged chromosome. We also gauged the intrachromosomal interactions of these cell lines utilizing chromosome conformation capture (4C-seq) technique. We observed that a set of genes flanking the Williams-Beuren Syndrome critical region (WBSCR) were often looping together, possibly forming an interacting cluster with each other and the WBSCR. Deletion of the WBSCR disrupts the expression of this group of flanking genes, as well as long-range interactions between them and the rearranged interval. We conclude, that large genomic rearrangements can lead to changes in the state of the chromatin spreading far away from the critical region, thus possibly affecting expression globally and as a result modifying the phenotype of the patients. - Les conséquences fonctionnelles des variations structurelles dans le génome humain sont vastes, allant de l'adaptation, en passant par les variations phénotypiques, aux prédispositions à certaines maladies. Il a été démontré que les variations du nombre de copies (CNV) influencent le phénotype en modifiant, d'une manière plus ou moins dose-dépendante, l'expression des gènes se situant à l'intérieur de ces régions, mais également celle des gènes se trouvant dans les régions flanquantes. Afin d'étudier les mécanismes possibles sous-jacents à cet effet de voisinage, nous avons comparé les états de modification des histones dans des lignées cellulaires dérivées de patients atteints du syndrome de Williams-Beuren, de la duplication de la région Williams-Beuren, du syndrome de Smith-Magenis ou du syndrome de Di- George et d'individus contrôles en utilisant une version haut-débit de la méthode d'immunoprécipitation de la chromatine (ChIP), appelée ChIP-seq. Nous avons suivi la mono-méthylation de la lysine K20 sur l'histone H4 et la tri-méthylation de la lysine K27 sur l'histone H3, marqueurs respectifs de la chromatine ouverte et fermée. En accord avec les changements de niveaux d'expression observés pour de multiples gènes tout le long des chromosomes affectés par les CNVs, nous avons aussi détecté des régions présentant des modifications d'histones entre les échantillons, situées de part et d'autre des régions critiques, jusqu'aux extrémités du chromosome réarrangé. Nous avons aussi évalué les interactions intra-chromosomiques ayant lieu dans ces cellules par l'utilisation de la technique de capture de conformation des chromosomes (4C-seq). Nous avons observé qu'un groupe de gènes flanquants la région critique du syndrome de Williams-Beuren (WBSCR) forment souvent une boucle, constituant un groupe d'interactions privilégiées entre ces gènes et la WBSCR. La délétion de la WBSCR perturbe l'expression de ce groupe de gènes flanquants, mais également les interactions à grande échelle entre eux et la région réarrangée. Nous en concluons que les larges réarrangements génomiques peuvent aboutir à des changements de l'état de la chromatine pouvant s'étendre bien plus loin que la région critique, affectant donc potentiellement l'expression de manière globale et ainsi modifiant le phénotype des patients.

Organisation structurale du noyau et de microtubules de cellules de mammifères observés par cryo-microscopie électronique de sections hydratées

RESUME L'architecture nucléaire ainsi que l'ultrastructure des microtubules ont été abondamment étudiées par des méthodes cytochimiques utilisant des échantillons fixés chimiquement, enrobés dans des résines ou fixés à basse température. Les échantillons fixés à basse température pouvant aussi avoir été substitués, déshydratés et enrobés dans des résines pour la plupart hydrophiles. Ici, nous avons étendu ces études en utilisant la microscopie électronique effectuée sur des sections hydratées (CEMOVIS) permettant d'observer les échantillons dans un état le plus proche de leur état natif. De plus, nous avons effectué de la tomographie électronique sur des sections hydratées (TOVIS) afin d'obtenir une vision tridimensionnelle de : 1) la périphérie du noyau et de la région périchromatinienne et 2) de la lumière des microtubules. Concernant l'architecture nucléaire Nos observations montrent que le nucléole et la chromatine condensée sont facilement visualisés grâce à la texture spécifique qu'ils arborent. Au contraire, la visualisation de domaines nucléaires importants et spécialement ceux qui contiennent des ribonucléoprotéines, est rendue difficile, à cause du faible contraste qui caractérise l'espace interchromatinien. Ceci est essentiellement dû à la quantité d'information présente dans le volume de la section qui semble être superposée, lorsque observée sur des micrographies en deux dimensions. La tomographie nous a permis de mieux visualiser les différentes régions du noyau. Les mottes de chromatine condensée sont décorées à leur périphérie (région périchromatinienne), par nombre de fibrilles et granules. Des tunnels d'espace interchromatinien sont occasionnellement observés en train de traverser des régions de chromatine condensée favorisant l'accès aux pores nucléaires. Enfin, nous avons pu, au niveau d'un pore unique, observer la plupart des structures caractéristiques du complexe de pore nucléaire. Concernant l'ultrastructure des microtubules: Nous avons démontré que la polarité d'un microtubule observé in situ en section transversale, par CEMOVIS, est directement déduite de l'observation de la chiralité de ses protofilaments. Cette chiralité, a été établie précédemment comme étant liée à la morphologie des sous unités de tubuline. La tomographie électronique effectuée sur des sections hydratées, nous a permis d'observer les microtubules dans leur contexte cellulaire avec une résolution suffisante pour visualiser des détails moléculaires, comme les monomères de tubuline. Ainsi, des molécules n'ayant pas encore été caractérisées, ont été observées dans la lumière des microtubules. Ces observations ont été effectuées autant sur des cellules observées en coupe par CEMOVIS que sur des cellules congelées dans leur totalité par immersion dans un bain d'éthane liquide. Enfin, nous avons montré que les microtubules étaient aussi de formidables objets, permettant une meilleure compréhension des artéfacts de coupe occasionnés lors de la préparation des échantillons par CEMOVIS. Les buts des études qui seront menées â la suite de ce travail seront de 1) essayer de localiser des domaines nucléaires spécifiques par des approches cytochimiques avant la congélation des cellules. 2) Appliquer des méthodes de moyennage afin d'obtenir un modèle tridimensionnel de la structure du complexe de pore nucléaire dans son contexte cellulaire. 3) Utiliser des approches biochimiques afin de déterminer la nature exacte des particules qui se trouvent dans la lumière des microtubules. ABSTRACT Nuclear architecture as well as microtubule ultrastructure have been extensively investigated by means of different methods of ultrastructural cytochemistry using chemically fixed and resin embedded samples or following cryofixation, cryosubstitution and embedding into various, especially partially hydrophilic resins. Here, we extend these studies using cryoelectron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) which allows one to observe the specimen as close as possible to its native state. Furthermore, we applied cryoelectron tomography of vitreous sections (TOVIS) in order to obtain athree-dimensional view of: 1) the nuclear periphery, and of the perichromatin region, and 2) the microtubule lumen. Concerning the nuclear architecture: Our observations show that nucleoli and condensed chromatin are well recognisable due to their specific texture. Conversely, the visualisation of other important nuclear domains, especially those containing ribonucleoproteins, is seriously hampered by a generally low contrast of the interchromatin region. This is mainly due to the plethora of information superposed in the volume of the section observed on two-dimensional micrographs. Cryoelectron tomography allowed us to better visualise nuclear regions. Condensed chromatin clumps are decorated on their periphery, the perichromatin region, by numerous fibrils and granules. Tunnels of interchromatin space can occasionally be found as crossing condensed chromatin regions, thus, allowing the access to nuclear pores. Finally, we were able to use TOVIS to directly distinguish most of the nuclear pore complex structures, at the level of a single pore. Concerning the microtubule ultrastructure: We have demonstrated that the polarity of across-sectioned microtubule observed in situ by CEMOVIS wás directly deducible from the visualisation of the tubulin protofiíaments' chirality. This chirality has been established before as related to the shape. of the tubulin subunits. Cryoelectron tomography allowed us to observe microtubules in their cellular context at a resolution sufficient to resolve molecular details such as their tubulin monomers. In this way, uncharacterized molecules were visualised in the microtubule lumen. These observations were made either on samples prepared by CEMOVIS or plunge freezing of whole cells. Finally, we have shown that microtubules are also relevant objects for the understanding of cutting artefacts, when performing CEMOVIS. The goals of our further studies will be to: 1) try to speciifically target different nuclear domains by cytochemical approaches in situ, prior to cryofixation. 2) Apply averaging methods in order to obtain a three-dimensional model of the nuclear pore complex at work, in its cellular context. 3) Use biochemical analysis combined in a second time to immunocytochemical approaches, to determine the exact nature of the microtubule's luminal particles.

Genetic investigation of the functions of c-Myc and N-Myc in Hematopoietic stem cells

Résumé : c-Myc, le premier facteur de transcription de la famille Myc a été découvert il y a maintenant trente ans. Il reste à l'heure actuelle parmi les plus puissants proto-oncogènes connus. c-Myc est dérégulé dans plus de 50% des cancers, où il promeut la prolifération, la croissance cellulaire, et la néoangiogenèse. Myc peut aussi influencer de nombreuses autres fonctions de par sa capacité à activer ou à réprimer la transcription de nombreux gènes, et à agir globalement sur le génome à travers des modifications épigénétiques de la chromatine. La famille d'oncogènes Myc comprend, chez les mammifères, trois protéines structurellement proches: c-Myc, N-Myc et L-Myc. Ces protéines ont les mêmes proprietés biochimiques, exercent les mêmes fonctions mais sont le plus souvent exprimées de façon mutuellement exclusive. Myc a été récemment identifié comme un facteur clef dans la maintenance des cellules souches embryonnaires et adultes ainsi que dans la réacquisition des proprietés des cellules souches. Nous avons précédemment démontré que l'élimination de c-Myc provoque une accumulation de cellules souches hématopoïétiques (CSH) suite à un défaut de différenciation lié à la niche. Les CSH sont responsables de la production de tous les éléments cellulaires du sang pour toute la vie de l'individu et sont définies par leur capacité à s'auto-renouveler tout en produisant des précurseurs hématopoïétiques. Afin de mieux comprendre la fonction de Myc dans les CSH, nous avons choisi de combiner l'utilisation de modèles de souris génétiquement modifiées à une caractérisation systématique des schémas d'expression de c-Myc, N-Myc et L-Myc dans tout le système hématopoïétique. Nous avons ainsi découvert que les CSH les plus immatures expriment des quantités équivalentes de transcrits de c-myc et N-myc. Si les CSH déficientes en N-myc seulement ont une capacité d'auto-renouvellement à long-terme réduite, l'invalidation combinée des gènes c-myc et N-myc conduit à une pan-cytopénie suivie d'une mort rapide de l'animal, pour cause d'apoptose de tous les types cellulaires hématopoïétiques. En particulier, les CSH en cours d'auto-renouvelemment, mais pas les CSH quiescentes, accumulent du Granzyme B (GrB), une molécule fortement cytotoxique qui provoque une mort cellulaire rapide. Ces données ont ainsi mis au jour un nouveau mécanisme dont dépend la survie des CSH, à savoir la répression du GrB, une enzyme typiquement utilisée par le système immunitaire inné pour éliminer les tumeurs et les cellules infectées par des virus. Dans le but d'évaluer l'étendue de la redondance entre c-Myc et N-Myc dans les CSH, nous avons d'une part examiné des souris dans lesquelles les séquences codantes de c-myc sont remplacées par celles de N-myc (NCR) et d'autre part nous avons géneré une série allèlique de myc en éliminant de façon combinatoire un ou plusieurs allèles de c-myc et/ou de N-myc. Alors que l'analyse des souris NCR suggère que c-Myc et N-Myc sont qualitativement redondants, la série allélique indique que les efficiences avec lesquelles ces deux protéines influencent des procédés essentiels à la maintenance des CSH sont différentes. En conclusion, nos données génétiques montrent que l'activité générale de MYC, fournie par c-Myc et N-Myc, contrôle plusieurs aspects cruciaux de la fonction des CSH, notamment l'auto-renouvellement, la survie et la différenciation. Abstract : c-Myc, the first Myc transcription factor was discovered 30 years ago and is to date one of the most potent proto-oncogenes described. It is found to be misregulated in over 50% of all cancers, where it drives proliferation, cell growth and neo-angiogenesis. Myc can also influence a variety of other functions, owing to its ability to activate and repress transcription of many target genes and to globally regulate the genome via epigenetic modifications of the chromatin. The Myc family of oncogenes consists of three closely related proteins in mammals: c-Myc, N-Myc and L-Myc. These proteins share the same biochemical properties, exert mostly the same functions, but are most often expressed in mutually exclusive patterns. Myc is now emerging as a key factor in maintenance of embryonic and adult stem cells as well as in reacquisition of stem cell properties, including induced reprogramming. We previously showed that c-Myc deficiency can cause the accumulation of hematopoietic stem cells (HSCs) due to a niche dependent differentiation defect. HSCs are responsible for life-long replenishment of all blood cell types, and are defined by their ability to self-renew while concomitantly giving rise to more commited progenitors. To gain further insight into the function of Myc in HSCs, in this study we combine the use of genetically-modified mouse models with the systematic characterization of c-myc, N-myc and L-myc transcription patterns throughout the hematopoietic system. Interestingly, the most immature HSCs express not only c-myc, but also about equal amounts of N-myc transcripts. Although conditional deletion of N-myc alone in the bone marrow does not affect steady-state hematopoiesis, N-myc null HSCs show impaired long-term self-renewal capacity. Strikingly, combined deficiency of c-Myc and N-Myc results in pan-cytopenia and rapid lethality, due to the apoptosis of most hematopoietic cell types. In particular, self-renewing HSCs, but not quiescent HSCs or progenitor cell types rapidly up-regulate and accumulate the potent cytotoxic molecule GranzymeB (GrB), causing their rapid cell death. These data uncover a novel pathway on which HSC survival depends on, namely repression of GrB, a molecule typically used by the innate immune system to eliminate tumor and virus infected cells. To evaluate the extent of redundancy between c-Myc and N-Myc in HSCs, we examined mice in which c-myc coding sequences are replaced by that of N-myc (NCR) and also generated an allelic series of myc, by combinatorially deleting one or several c-myc and/or N-myc alleles. While the analysis of NCR mice suggests that c-Myc and N-Myc are qualitatively functionally redundant, our allelic series indicates that the efficiencies with which these two proteins affect crucial HSC maintenance processes are likely to be distinct. Collectively, our genetic data show that general "MYC" activity delivered by c-Myc and N-Myc controls crucial aspects of HSC function, including self-renewal, survival and niche dependent differentiation.

Analysis of a boundary protein delimiting chromatin domains in yeast

SUMMARY The expression state of a eukaryotic gene depends in part on its location in the chromosome. This position effect results from the organization of eukaryotic genomes into discrete functional domains, defined by local differences in chromatin structure. The expression of genes within each domain appears to be defined and maintained by the concerted action of regulatory elements such as promoters, enhancers, silencers and locus control regions. Individual domains may be bordered by boundary elements that separate regions of permissive and silent chromatin. When located next to chromosomal elements such as telomeres, genes can be subjected to epigenetic silencing. In yeast, this is mediated by the propagation of the SIR proteins from telomeres towards more centromeric regions. Particular transcription factors can protect downstream genes from silencing when tethered between the gene and the telomere, and they may thus act as chromatin domain boundaries. Here we have studied one of these transcription factors, CTF-1, that binds directly histone H3. A deletion mutagenesis localized the barrier activity to CTF-1 histone-binding domain. A saturating point mutagenesis of this domain identified several amino-acid substitutions that similarly inhibited the boundary and histone-binding activities. Chromatin immunoprecipitation experiments indicated that the barrier protein efficiently prevents the spreading of SIR proteins, and that it separates domains of hypoacetylated and hyperacetylated histones. Together, these results suggest a mechanism by which proteins such as CTF-1 may interact directly with histone H3 to prevent the propagation of a silent chromatin structure, thereby defining boundaries of permissive and silent chromatin domains. RESUME L'expression des gènes eucaryotes dépend en partie de leur localisation sur les chromosomes. Cet effet de position résulte de l'organisation des génomes eucaryotes en domaines fonctionnels, définis par des changements locaux au niveau de la structure de la chromatine. Dans chacun de ces domaines, l'expression des gènes est définie et maintenue par l'action concertée de différents éléments régulateurs tels que les promoteurs, les amplificateurs, les silenceurs et les locus control régions. Ces domaines peuvent être entourés par des éléments barrière, séparant les régions de chromatine répressive des régions permissive pour l'expression des gènes. Lorsqu'ils se situent à proximité d'éléments chromosomiques comme les telomères, les gènes peuvent être réprimés de manière épigénétique. Chez la levure, cette répression est établie par la propagation des protéines SIR depuis les télomères vers les régions centromériques. Certains facteurs de transcription peuvent empêcher la répression d'un gène, lorsqu'ils sont placés entre ce gène et le télomère. Nous avons étudié un de ces facteurs, CTF-1, qui a la particularité de lier directement l'histone H3. La délétion de certaines parties de CTF-1 a permis de déterminer que la région responsable de l'activité barrière correspond au domaine d'interaction avec H3. Plusieurs mutations points effectuées dans ce domaine inhibent à la fois l'activité barrière et la capacité de lier H3. Des expériences d'immuno-précipitation de la chromatine indiquent que la protéine barrière CTF-1 prévient efficacement la propagation des protéines SIR et sépare des domaines contenant des histones hypo-acétylées de ceux constitués d'histones hyper-acétylées. Ces résultats suggèrent que CTF-1 interagit directement avec l'histone H3 pour empêcher la propagation de la chromatine répressive, délimitant ainsi des domaines de chromatine permissive et des domaines de chromatine silencieuse.

Characterisation of "fou2", a constitutive wound-activated mutant and analysis of the proteome and leaf physiology in the region proximal to wounds in Arabidopsis

Résumé : Les jasmonates (JA), une famille d'hor1none végétale, jouent un rôle central dans la réponse à la blessure, et aux attaques d'insectes et de pathogènes. Les JA sont principalement dérivés d'un acide gras, l'acide linolénique. L'addition par une lipoxygénase d'une molécule d'oxygène à l'acide linolénique initie la synthèse de JA. Cependant les mécanismes régulant l'activation de la biosynthèse de JA ne sont pas encore connus. C'est pour cette raison que dans ce travail, nous avons caractérisé chez Arabidopsis thaliana (l'Arabette des Dames) un mutant fou2 dont l'activité lipoxygénase est plus élevée que celle d'une plante sauvage. Les niveaux de JA sont constitutivement plus élevés et l'activation de la synthèse de JA après blessure est fortement plus induite chez fou2 que chez le type sauvage. En outre, fou2 est plus résistant au pathogène Botrytis cinerea et à la chenille Spodoptera littoralis. Afin de comprendre quel mécanisme chez fou2 génére ce phénotype, nous avons cloné le gène responsable du phénotype de fou2. Le mutant fou2 porte une mutation dans le gène d'un canal à deux pores transportant probablement du potassium, du lumen de la vacuole végétale vers le compartiment cytosolique. L'analyse du protéome de fou2 a permis d'identifier une expression plus élevée de sept protéines régulées par les JA ou le stress. La découverte de l'implication d'un canal dans le phénotype de fou2 renforce l'hypothèse que les flux de cations pourraient être impliqués dans les étapes précoces de la synthèse des JA. Nous avons également étudié le protéome et la physiologie d'une feuille blessée, Pour évaluer les changements d'expression protéique en réponse à la blessure et contrôlés par les JA, nous avons quantifié l'expression de 5937 protéines chez une plante d'Arabidopsis sauvage et chez un mutant incapable de synthétiser des JA. Parmi ces 5937 protéines, nous avons identifié 99 protéines régulées par la blessure chez le type sauvage. Nous avons observé pour 65% des protéines dont l'expression protéique changeait après blessure une bonne corrélation entre la quantité de transcrits et de protéines. Plusieurs enzymes de la voie des chorismates impliquées dans la biosynthèse des acides aminés phénoliques étaient induites par les JA après blessure. Une quantification des acides aminés a montré que les niveaux d'acides aminés phénoliques augmentaient significativement après blessure. La blessure induisait aussi des changements dans l'expression de protéines impliquées dans la réponse au stress et particulièrement au stress oxydatif. Nous avons quantifié l'état réduit et oxydé du glutathion, un tripeptide qui, sous sa forme réduite, est l'antioxydant majeur des cellules. Nous avons trouvé une quantité significativement plus élevée de glutathion oxydé chez le type sauvage blessé que chez la plante aus blessée. Ce résultat suggère que la génération d'un stress oxydatif et la proportion relative de glutathions réduits et oxydés sont contrôlés par les JA après blessure. Abstract : Plants possess a family of potent fatty acid-derived wound-response and developmental regulators: the jasmonates. These compounds are derived from the tri?unsaturated fatty acid a-linolenic-acid (18:3). Addition of an oxygen molecule to 18:3 by 13-lipoxygenases (13-LOX) initiates JA biosynthesis. Actually components regulating the activation of JA biosynthesis are poorly defined. Therefore we characterized in Arabidopsis thaliana the fatty acid Qxygenation upregulated 2 (fou2) mutant, which was previously isolated in a screen for mutants with an enhanced 13-LOX activity. As a consequence of this increased 13-LOX activity, JA levels in fou2 are higher than in wild type (WT) and wounding strongly increased JA biosynthesis compared to WT. fou2 was more resistant to the fungus Botrytis cinerea and the generalist caterpillar Spodaptera littomlis, The fou2 mutant carries a missense mutation in the Two Pore Channel 1 gene (TPCJ), which encodes a vacuolar cation channel transporting probably K* into the cytosol. Patchclamp analysis of fou2 vacuolar membranes showed faster time-dependent conductivity and activation of the mutated channel at lower membrane potentials than wild-type. Proteomic analysis of fou2 leaves identified increased levels of seven biotic stress- and JA- inducible proteins. The discovery of the implication of a channel in the fou2 phenotype strenghtens the hypothesis that cation fluxes might be implicated in early steps of JA synthesis. We further concentrated on the proteome and leaf physiology in the region proximal to wounds in Arabidopsis using the WT and the aos JA-biosynthesis deficient mutant in order to find JA- induced proteins changes. We used two successive proteomic methods to assess protein changes in response to wounding Arabidopsis leaves, two dimensional electrophoresis (2DE) and linear trap quadrupole ion-trap mass spectrometry. In total 5937 proteins were quantified. We identified 99 wound-regulated proteins in the WT. Most these proteins were also wound-regulated at the transcript level showing a good correlation between transcript and protein abundance. We identified several wound-regulated enzymes involved in amino acid biosynthesis and confirmed this result by amino acid quantification. Proteins involved in stress reponses were upregulated, particularly in redox species regulation. We found a significantly higher quantity of oxidized glutathione in wounded WT relative to wounded aos leaves. This result suggests that levels of reduced glutathione are controlled by JA after wounding.

Integrating receptor interactions and dynamics and Interference with endocrine disruptors in the mechanisms of action of PPAR nuclear receptors

Abstract Peroxisome Proliferator-Activated Receptors (PPARs) form a family of three nuclear receptors regulating important cellular and metabolic functions. PPARs control gene expression by directly binding to target promoters as heterodimers with the Retinoid X Receptor (RXR), and their transcriptional activity is enhanced upon activation by natural or pharmacological ligands. The binding of PPAR/RXR heterodimers on target promoters allows the anchoring of a series of coactivators and corepressors involved in promoter remodeling and the recruitment of the transcription machinery. The transcriptional output finally depends on a complex interplay between (i) the respective expression levels of PPARs, RXRs and of other nuclear receptors competing for DNA binding and RXR recruitment, (ii) the availability and the nature of PPAR and RXR ligands, (iii) the expression levels and the nature of the different coactivators and corepressors and (iv) the sequence and the epigenetic status of the promoter. Understanding how all these factors and signals integrate and fine-tune transcription remains a challenge but is necessary to understand the specificity of the physiological functions regulated by PPARs. The work presented herein focuses on the molecular mechanisms of PPAR action and aims at understanding how the interactions and mobility of the receptor modulate transcription in the physiological context of a living cell: Such observations in vivo rely on the use of engineered fluorescent protein chimeras and require the development and the application of complementary imaging techniques such as Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP), Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) and Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). Using such techniques, PPARs are shown to reside solely in the nucleus where they are constitutively associated with RXR but transcriptional activation by ligand binding -does not promote the formation of sub-nuclear structures as observed with other nuclear receptors. In addition, the engagement of unliganded PPARs in large complexes of cofactors in living cells provides a molecular basis for their ligand-independent activity. Ligand binding reduces receptor diffusion by promoting the recruitment of coactivators which further enlarge the size of PPAR complexes to acquire full transcriptional competence. Using these molecular approaches, we deciphered the molecular mechanisms through which phthalates, a class of pollutants from the plastic industry, interfere with PPARγ signaling. Mono-ethyl-hexyl-phthalate (MEHP) binding induces the recruitment of a specific subset of cofactors and translates into the expression of a specific subset of target genes, the transcriptional output being strongly conditioned by the differentiation status of the cell. This selective PPARγ modulation induces limited adipogenic effects in cellular models while exposure to phthalates in animal models leads to protective effects on glucose tolerance and diet-induced obesity. These results demonstrate that phthalates influence lipid and carbohydrate metabolism through complex mechanisms which most likely involve PPARγ but also probably PPARα and PPARß, Altogether, the molecular and physiological demonstration of the interference of pollutants with PPAR action outlines an important role of chemical exposure in metabolic regulations. Résumé Les PPARs (Peroxisome Proliferator-Activated Receptors) forment une famille de récepteurs nucléaires qui régulent des fonctions cellulaires et métaboliques importantes. Les PPARs contrôlent l'expression des gènes en se liant directement à leurs promoteurs sous forme d'hétérodimères avec les récepteurs RXR (Retinoid X Receptor), et leur activité transcriptionnelle est stimulée par la liaison de ligands naturels ou pharmacologiques. L'association des hétérodimères PPAR/RXR avec les promoteurs des gènes cibles permet le recrutement de coactivateurs et de corépresseurs qui vont permettre le remodelage de la chromatine et le recrutement de la machinerie transcriptionnelle. Les actions transcriptionnelles du récepteur dépendent toutefois d'interactions complexes qui sont régulées par (i) le niveau d'expression des PPARs, des RXRs et d'autres récepteurs nucléaires entrant en compétition pour la liaison à l'ADN et l'association avec RXR, (ii) la disponibilité et la nature de ligands de PPAR et de RXR, (iii) les niveaux d'expression et la nature des différents coactivateurs et corépresseurs et (iv) la séquence et le marquage épigénétique des promoteurs. La compréhension des mécanismes qui permettent d'intégrer ces aspects pour assurer une régulation fine de l'activité transcriptionnelle est un défi qu'il est nécessaire de relever pour comprendre la spécificité des fonctions physiologiques régulées par les PPARs. Ce travail concerne l'étude des mécanismes d'action moléculaire des PPARs et vise à mieux comprendre comment les interactions du récepteur avec d'autres protéines ainsi que la mobilité de ce dernier régulent son activité transcriptionnelle dans le contexte physiologique des cellules vivantes. De telles observations reposent sur l'emploi de protéines fusionnées à des protéines fluorescentes ainsi que sur le développement et l'utilisation de techniques d'imagerie complémentaires telles que le FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), le FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) ou la FCS (Fluorescence Corrélation Spectroscopy). En appliquant ces méthodes, nous avons pu montrer que les PPARs résident toujours dans le noyau où ils sont associés de manière constitutive à RXR, mais que l'ajout de ligand n'induit pas la formation de structures sub-nucléaires comme cela a pu être décrit pour d'autres récepteurs nucléaires. De plus, les PPARs sont engagés dans de larges complexes protéiques de cofacteurs en absence de ligand, ce qui procure une explication moléculaire à leur activité ligand-indépendante. La liaison du ligand réduit la vitesse de diffusion du récepteur en induisant le recrutement de coactivateurs qui augmente encore plus la taille des complexes afin d'acquérir un potentiel d'activation maximal. En utilisant ces approches moléculaires, nous avons pu caractériser les mécanismes permettant aux phtalates, une classe de polluants provenant de l'industrie plastique, d'interférer avec PPARγ. La liaison du mono-ethyl-hexyl-phtalate (NERF) à PPARγ induit un recrutement sélectif de cofacteurs, se traduisant par l'induction spécifique d'un sous-ensemble de gènes qui varie en fonction du niveau de différentiation cellulaire. La modulation sélective de PPARγ par le MEHP provoque une adipogenèse modérée dans des modèles cellulaires alors que l'exposition de modèles animaux aux phtalates induit des effets bénéfiques sur la tolérance au glucose et sur le développement de l'obésité. Toutefois, les phtalates ont une action complexe sur le métabolisme glucido-lipidique en faisant intervenir PPARγ mais aussi probablement PPARα et PPARß. Cette démonstration moléculaire et physiologique de l'interférence des polluants avec les récepteurs nucléaires PPAR souligne un rôle important de l'exposition à de tels composés dans les régulations métaboliques.

Combining MAR elements and transposable vectors for more reliable transgene integration and expression

Integration without cytotoxic effects and long-term expression of a transgene constitutes a major challenge in gene therapy and biotechnology applications. In this context, transposons represent an attractive system for gene transfer because of their ability to promote efficient integration of a transgene in a variety of cell lines. However, the transgene integration can lead to insertional mutagenesis and/or unstable transgene expression by epigenetic modifications. These unwanted events may be limited by the use of chromatin control elements called MARs (matrix attachment regions). Indeed, the insertion of these DNA elements next to the transgene usually results in higher and more stable expression by maintaining transgene chromatin in an active configuration and preventing gene silencing. In this study, we tested if the inclusion of the MAR 1-68 in the piggyBac transposon system may lead to efficient and safer transgene integration and ensure reliable stable and long-term expression of a transgene. The MAR-containing transposon construct was tested in CHO cells, for biotechnology applications, and in mesoangioblast cells that can differentiate into muscle cells and are important candidates for potential stem cell therapies of myopathies. We showed that the addition of the MAR 1 -68 in the piggyBac transposon did not interfere with transposition, thereby maintaining high frequency of transgene integrations in these cells. Moreover, the MAR allowed higher transgene expression from fewer transposon integration events. We also found that enriched transgene-expressing cell populations could be obtained without the need of selection pressure. Since antibiotic-enforced selection protocols often result in a higher integrated copy number and mosaic expression patterns, this strategy could benefit many applications in which a low copy number of integrated transgenes and antibiotic-free conditions are desired. In addition, the intramuscular transplantation of mouse tibialis anterior muscles with mesoangioblasts containing the transposon led to widespread and sustained myofiber transgene expression after differentiation of these cells in vivo. These findings indicated that piggyBac vectors may provide a viable approach to achieve stable gene transfer in the context of Duchenne muscular dystrophy therapy. - L'intégration sans effets cytotoxiques et l'expression à long terme d'un transgène constituent un défi majeur en thérapie génique et en biotechnologie. Dans ce contexte, les transposons représentent un système attrayant pour le transfert de gènes en raison de leur capacité à promouvoir l'intégration efficace d'un transgène dans une variété de lignées cellulaires. Toutefois, l'intégration d'un transgène peut conduire à une mutagénèse insertionnelle et/ou à une expression instable due au silençage du transgène suite à des modifications épigénétiques. Ces événements indésirables de silençage génique peuvent être diminués par l'utilisation d'éléments de contrôle de la chromatine appelés MAR (matrix attachment region). En effet, l'insertion de ces éléments d'ADN à proximité du transgène se traduit généralement par une expression plus élevée et plus stable de celui-ci, en permettant le maintien d'une chromatine dans une configuration active autour du transgène et en empêchant l'inactivation du gène. Dans cette étude, nous avons testé si l'inclusion du MAR 1-68 dans le système transposon piggyBac peut améliorer l'efficacité d'intégration de façon sécuritaire et l'expression à long terme d'un transgène. Le transposon contenant l'élément MAR a été testé dans les cellules CHO, couramment utilisées en biotechnologie, et dans des cellules progénitrices appelées mésoangioblastes, qui peuvent se différencier en cellules musculaires, et qui constituent ainsi des candidats prometteurs pour la thérapie à partir de cellules souches de patients souffrant de myopathie. Nous avons montré que l'addition du MAR 1-68 dans le transposon piggyBac n'interfère pas avec la transposition et permet de maintenir une fréquence élevée d'intégration du transgène dans ces deux types cellulaires. De plus, il semble que cette association mène à une meilleure expression du transgène à partir de peu d'événements d'intégration du transposon. En outre, ces populations enrichies en cellules exprimant de façon stable le transgène ont pu être obtenues sans avoir recours à une pression de sélection. Etant donné que les protocoles de sélection basée sur l'utilisation d'antibiotiques conduisent souvent à un nombre plus élevé de copies intégrées et à la variégation de l'expression du transgène et qu'ils impliquent une longue culture in vitro, cette stratégie pourrait profiter à des applications pour lesquelles on souhaite un faible nombre de copies intégrées et/ou l'utilisation d'antibiotiques n'est pas souhaitable. De plus, la transplantation intramusculaire de mésoangioblastes contenant le transposon dans le muscle tibial antérieur de souris a conduit, après la différentiation de ces cellules in vivo, à une expression constante et étendue du transgène dans les myofibres. Ces résultats indiquent que les vecteurs piggyBac pourraient fournir une approche viable pour assurer un transfert de gènes stables dans le contexte d'un traitement de la dystrophic musculaire de Duchenne.

Effects of epigenetic regulatory elements on telomeric gene expression

Transgene expression in eukaryotic cells strongly depends on the locus of integration in the host genome and often results in limited transcription level because of unfavorable chromatin structure at the integration site. Epigenetic regulators are DNA sequences which are believed to act on the chromatin structure and may protect transgenes from this so-called position effect. Despite being extensively used to increase transgene expression, the mechanism of action of many of these elements remains largely unknown. Here we evaluated different epigenetic regulatory DNA elements for their ability to protect transgene transcription at telomeres, a defined chromatin environment associated to low or inconsistent expression caused by the Telomere Position Effect (TPE). For the assessment of the effects of epigenetic regulators at telomeres, a novel dual reporter system had to be designed. Telomeric integration of the newly-developed dual reporter system carrying different epigenetic regulators showed that MARs (Matrix Attachment Regions), a UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element) or the chicken cHS4 insulator have strong barrier activity which prevented TPE from spreading toward the centromere, resulting in stable and in some cases increased expression of a telomeric-distal reporter gene. In addition, MARs and STAR element 40 resulted in an increase of cells expressing the telomeric-proximal reporter gene, suggesting also an anti-silencing effect. Chromatin immunoprecipitation assays revealed that at telomeres MARs actively promote the deposition of euchromatic histone marks, especially acetylation of both histone H3 and H4, which might be involved in MARs' barrier and transcriptional activator activities. Differently, the chromatin in proximity of the UCOE element was depleted of several repressive chromatin marks, such as trimethylated lysine 9 and lysine 27 on histone H3 and trimethylated lysine 20 of histone H4, possibly favoring the preservation of an open chromatin structure at the integration site. We conclude that epigenetic regulatory elements that may be used to enhance and sustain transgene expression have all a specific epigenetic signature which might be at the basis of their mechanism of action, and that a combination of different classes of epigenetic regulators might be advantageous when high levels of protein expression are required. - L'expression des transgènes dans les cellules eucaryotes est fortement influencée par leur site d'intégration dans le génome. En effet, une structure chromatinienne défavorable au niveau du site d'intégration peut fortement limiter le degré d'expression d'un transgène. Il existe toutefois des séquences d'ADN qui, en agissant sur la structure de la chromatine, permettent de limiter cet effet de position et, par conséquent, de promouvoir l'expression soutenue d'un transgène. Ces éléments génomiques, connus comme régulateurs épigénétiques, sont largement utilisés dans plusieurs domaines où une expression élevée et soutenue est requise, malgré un mode de fonctionnement parfois méconnu. Dans cette étude, j'ai évalué la capacité de différents régulateurs épigénétiques à protéger la transcription de transgènes au niveau des télomères, régions chromatiniennes bien définies qui ont été associées à un fort effet de silençage, connu comme «effet de position télomérique». Pour cela, un nouveau système à deux gènes rapporteurs a été développé. Lorsque des MARs (Matrix Attachment Regions, séquences d'ADN pouvant s'associer à la matrice nucléaire), un UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element, élément pouvant ouvrir la chromatine) ou l'isolateur génétique cHS4 (dérivé du locus de la β-globine de poulet) sont placés entre les deux gènes rapporteurs, une forte activité barrière bloquant la propagation de la chromatine répressive télomérique est observée, résultant en un plus grand nombre de cellules exprimant le gène télomérique-distal. D'autre part, une augmentation du nombre de cellules exprimant le gène télomérique-proximal, observée en présence des éléments MAR et STAR 40 (Stabilizing Anti-Repressor element 40, un élément pouvant prévenir la répression génique), suggère aussi un faible effet anti-silençage pour ces éléments. Des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine démontrent qu'au télomère, les MARs favorisent l'assemblage de marqueurs de la chromatine active, surtout l'acétylation des histones H3 et H4, qui pourraient être à la base de l'activité barrière et de celle d'activateur transcriptionel. Différemment, la chromatine à proximité de l'élément UCOE est particulièrement pauvre en marqueurs de la chromatine silencieuse, comme la trimethylation des lysines 9 et 27 de l'histone H3, ainsi que la trimethylation de la lysine 20 de l'histone H4. Cela suggère que UCOE pourrait préserver une structure chromatinienne ouverte au site d'intégration, favorisant l'expression des gènes à sa proximité. En conclusion, les régulateurs épigénétiques analysés lors de cette étude ont tous montré une signature épigénétique spécifique qui pourrait être à la base de leurs mécanismes de fonctionnement, suggérant aussi qu'une utilisation d'éléments épigénétiques de classe différente dans un même vecteur d'expression pourrait être avantageuse lorsque de hauts et soutenus niveaux d'expression sont nécessaires.

Biosphere/lithosphere interface : microbially-mediated CaCO3 precipitation in hypersaline and freshwater environments

Abstract: Microbial mats very efficiently cycle elements, such as C, 0, N, S and H, which makes them key players of redox processes at the biosphere-lithosphere interface. They are characterized by high metabolic activities and high turnover rates (production and consumption) of biomass, which mainly consists of cell material and of extracellular organic matter (EOM). The EOM forms a matrix, embedding the microbial cells and fulfilling various functions within the microbial mat, including: mat attachment to surfaces; creation of micro-domains within the mat; physical stabilization under hy- drodynamic stress and the protection of the cells in multiple other stress conditions. EOM mainly consists of polysaccharides, amino acids, and a variety of chemical func-tional groups {e.g., -C00H, - SH -OH). These groups strongly bind cations such as Ca2+ and Mg2+ and thus exert a strong control on carbonate mineral formation within the microbial mat. A feedback mechanism between community metabolisms, their prod¬ucts, and the surrounding physicochemical microenvironment thus influences the de¬gree of carbonate saturation favoring either carbonate precipitation or dissolution. We investigated the driving forces and mechanisms of microbialite formation in the Sari ne River, FR, Switzerland, the hypersaline lake, Big Pond, Bahamas and in labo¬ratory experiments. The two fundamentally different natural systems allowed us to compare the geochemical conditions and microbial metabolisms, necessary for car¬bonate formation in microbial mats. Although carbonates are oversaturated in both environments, precipitation does not occur on physicochemical substrates (i.e. out¬side the microbial mats). In the Sarine a high crystal nucleation threshold exceeds the carbonate saturation, despite the high carbonate alkalinity in the water column. Cyanobacterial photosynthesis strongly locally enhances the carbonate alkalinity, whereas the EOM attract and immobilize calcium, which increases the saturation state and finally leads to carbonate precipitation within the EOM (in this case the cyanobacterial sheath) as nucleation template. In Big Pond, the presence of calcium- chelating anions (i.e. sulfate) and EOM, as well as the presence of magnesium, lowers the calcium activity in the water column and mat, and thus inhibits carbonate pre¬cipitation. Coupled with other heterotrophic metabolisms, sulfate reduction uses the EOM as carbon source, degrading it. The resulting EOM consumption creates alkalin¬ity, releases calcium and consumes sulfate in mat-micro domains, which leads to the formation of carbonate layers at the top of the microbial mat. Résumé: Interface biosphère/lithosphère: médiation microbienne de la précipitation de CaC03 dans des environnements en eaux douces et hypersalines Les tapis microbiens engendrent une circulation très efficace des éléments, tels que C, 0, N, S et H, ce qui en fait des acteurs clé pour les processus d'oxydoréduction à l'inter¬face biosphère-lithosphère. Ils sont caractérisés par des taux élevés d'activité méta¬bolique, ainsi que par la production et la consommation de biomasse, principalement constituée de cellules microbiennes et de matière organique extracellulaire (MOE). Dans un tapis microbien, les cellules microbiennes sont enveloppées par une matrice de MOE qui a différentes fonctions dont l'attachement du tapis aux surfaces, la créa¬tion de micro-domaines dans le tapis, la stabilisation physique en situation de stress hydrodynamique, et la protection des cellules dans de multiples autres conditions de stress. La MOE se compose principalement de polysaccharides, d'acides aminés, et d'une variété de groupes fonctionnels chimiques (par exemple, COOH, -SH et -OH). Ces groupes se lient fortement aux cations, tels que Ca2+ et Mg2+, et exercent ainsi un contrôle fort sur la formation de CaC03 dans le tapis microbien. Un mécanisme de rétroaction, entre les métabolismes de la communauté microbienne, leurs produits, et le microenvironnement physico-chimique, influence le degré de saturation de car¬bonate, favorisant soit leur précipitation, soit leur dissolution. Nous avons étudié le moteur et les mécanismes de minéralisation dans des tapis de la Sarine, FR, Suisse et du lac hypersalin, Big Pond, aux Bahamas, ainsi que durant des expériences en laboratoire. Les deux systèmes naturels, fondamentalement dif¬férents, nous ont permis de comparer les conditions géochimiques et les métabolis¬mes nécessaires à la formation des carbonates dans des tapis microbiens. Bien que les carbonates soient sursaturés dans les deux environnements, la précipitation ne se produit pas sur des substrats physico-chimiques (en dehors du tapis microbien). Dans la Sarine, malgré un taux d'alcalinité élevé, les valeurs de seuil pour la nucléa- tion de carbonates sont plus hautes que la saturation du carbonate. La photosynthèse cyanobactérienne augmente localement l'alcalinité, alors que la MOE attire et immo¬bilise le calcium, ce qui augmente l'état de saturation et conduit finalement à la pré¬cipitation des carbonates, en utilisant la MOE comme substrat de nucléation. À Big Pond, la présence de chélateurs de calcium, notamment les anions (p.ex. le sulfate) et la MOE, ainsi que la présence de magnésium, réduit l'activité du calcium et inhibe en conséquence la précipitation des carbonates. Couplée avec d'autres métabolismes hétérotrophes, la réduction des sulfates utilise la MOE comme source de carbone, en la dégradant. Cette consommation de MOE crée l'alcalinité, consomme des sulfates et libère du calcium dans des micro-domaines, conduisant à la formation de couches de carbonates dans le haut du tapis microbien.

Genomic roles of the HCF transcriptional regulator in "Drosophila"

Abstract : Transcriptional regulation is the result of a combination of positive and negative effectors, such as transcription factors, cofactors and chromatin modifiers. During my thesis project I studied chromatin association, and transcriptional and cell cycle regulatory functions of dHCF, the Drosophila homologue of the human protein HCF-1 (host cell factor-1). The human and Drosophila HCF proteins are synthesized as large polypeptides that are cleaved into two subunits (HCFN and HCFC), which remain associated with one another by non covalent interactions. Studies in mammalian cells over the past 20 years have been devoted to understanding the cellular functions of HCF-1 and have revealed that it is a key regulator of transcription and cell cycle regulation. In human cells, HCF-1 interacts with the histone methyltransferase Set1/Ash2 and MLL/Ash2 complexes and the histone deacetylase Sin3 complex, which are involved in transcriptional activation and repression, respectively. HCF-1 is also recruited to promoters to regulate G1 -to-S phase progression during the cell cycle by the activator transcription factors E2F1 and E2F3, and by the repressor transcription factor E2F4. HCF-1 protein structure and these interactions between HCP-1 and E2F transcriptional regulator proteins are also conserved in Drosophila. In this doctoral thesis, I use proliferating Drosophila SL2 cells to study both the genomic-binding sites of dHCF, using a combination of chromatin immunoprecipitation and ultra high throughput sequencing (ChIP-seq) analysis, and dHCF regulated genes, employing RNAi and microarray expression analysis. I show that dHCF is bound to over 7500 chromosomal sites in proliferating SL2 cells, and is located at +-200 bp relative to the transcriptional start sites of about 30% of Drosophila genes. There is also a direct relationship between dHCF promoter association and promoter- associated transcriptional activity. Thus, dHCF binding levels at promoters correlated directly with transcriptional activity. In contrast, expression studies showed that dHCF appears to be involved in both transcriptional activation and repression. Analysis of dHCF-binding sites identified nine dHCF-associated motifs, four of them linked dHCF to (i) two insulator proteins, GAGA and BEAF, (ii) the E-box motif, and (iii) a degenerated TATA-box. The dHCF-associated motifs allowed the organization of the dHCF-bound genes into five biological processes: differentiation, cell cycle and gene expression, regulation of endocytosis, and cellular localization. I further show that different mechanisms regulate dHCF association with chromatin. Despite that after dHCF cleavage the dHCFN and dHCFC subunits remain associated, the two subunits showed different affinities for chromatin and differential binding to a set of tested promoters, suggesting that dHCF could target specific promoters through each of the two subunits. Moreover, in addition to the interaction between dHCF and E2F transcription factors, the dHCF binding pattern is correlated with dE2F2 genomic 4 distribution. I show that dE2F factors are necessary for recruitment of dHCF to the promoter of a set of dHCF regulated genes. Therefore dHCF, as in mammals, is involved in regulation of G1 to S phase progression in collaboration with the dE2Fs transcription factors. In addition, gene expression arrays reveal that dHCF could indirectly regulate cell cycle progression by promoting expression of genes involved in gene expression and protein synthesis, and inhibiting expression of genes involved in cell-cell adhesion. Therefore, dHCF is an evolutionary conserved protein, which binds to many specific sites of the Drosophila genome via interaction with DNA of chromatin-binding proteins to regulate the expression of genes involved in many different cellular functions. Résumé : La regulation de la transcription est le résultat des effets positifs et négatifs des facteurs de transcription, cofacteurs et protéines effectrices qui modifient la chromatine. Pendant mon projet de thèse, j'ai étudié l'association a la chromatine, ainsi que la régulation de la transcription et du cycle cellulaire par dHCF, l'homologue chez la drosophile de la protéine humaine HCF-1 (host cell factor-1). Chez 1'humain et la V drosophile, les deux protéines HCF sont synthétisées sous la forme d'un long polypeptide, qui est ensuite coupé en deux sous-unités au centre de la protéine. Les deux sous-unités restent associées ensemble grâce a des interactions non-covalentes. Des études réalisées pendant les 20 dernières années ont permit d'établir que HCF-l et un facteur clé dans la régulation de la transcription et du cycle cellulaire. Dans les cellules humaines, HCF-1 active et réprime la transcription en interagissant avec des complexes de protéines qui activent la transcription en méthylant les histones (HMT), comme par Set1/Ash2 et MLL/Ash2, et d'autres complexes qui répriment la transcription et sont responsables de la déacétylation des histones (HDAC) comme la protéine Sin3. HCF-l est aussi recruté aux promoteurs par les activateurs de la transcription E2F l et E2F3a, et par le répresseur de la transcription E2F4 pour réguler la transition entre les phases G1 et S du cycle cellulaire. La structure de HCF-1 et les interactions entre HCF-l et les régulateurs de la transcription sont conservées chez la drosophile. Pendant ma these j'ai utilisé les cellules de la drosophile, SL2 en culture, pour étudier les endroits de liaisons de HCF-l à la chromatine, grâce a immunoprecipitation de la chromatine et du séquençage de l'ADN massif ainsi que les gènes régulés par dHCF 3 grâce a la technique de RNAi et des microarrays. Mes résultats on montré que dHCF se lie à environ 7565 endroits, et estimé a 1200 paire de bases autour des sites d'initiation de la transcription de 30% des gènes de la drosophile. J 'ai observe une relation entre dHCF et le niveau de la transcription. En effet, le niveau de liaison dHCF au promoteur corrèle avec l'activité de la transcription. Cependant, mes études d'expression ont montré que dHCF est implique dans le processus d'activation et mais aussi de répression de la transcription. L'analyse des séquences d'ADN liées par dHCF a révèle neuf motifs, quatre de ces motifs ont permis d'associer dl-ICF a deux protéines isolatrices GAGA et BEAF, au motif pour les E-boxes et a une TATA-box dégénérée. Les neuf motifs associes à dHCF ont permis d'associer les gènes lies par dHCF au promoteur a cinq processus biologiques: différentiation, cycle cellulaire, expression de gènes, régulation de l'endocytosis et la localisation cellulaire, J 'ai aussi montré qu'il y a plusieurs mécanismes qui régulent l'association de dHCF a la chromatine, malgré qu'après clivage, les deux sous-unites dHCFN and dHCFC, restent associées, elles montrent différentes affinités pour la chromatine et lient différemment un group de promoteurs, les résultats suggèrent que dHCF peut se lier aux promoteurs en utilisant chacune de ses sous-unitées. En plus de l'association de dHCF avec les facteurs de transcription dE2F s, la distribution de dHCF sur le génome corrèle avec celle du facteur de transcription dE2F2. J'ai aussi montré que les dE2Fs sont nécessaires pour le recrutement de dHCF aux promoteurs d'un sous-groupe de gènes régules par dHCF. Mes résultats ont aussi montré que chez la drosophile comme chez les humains, dl-ICF est implique dans la régulation de la progression de la phase G1 a la phase S du cycle cellulaire en collaboration avec dE2Fs. D'ailleurs, les arrays d'expression ont suggéré que dHCF pourrait réguler le cycle cellulaire de façon indirecte en activant l'expression de gènes impliqués dans l'expression génique et la synthèse de protéines, et en inhibant l'expression de gènes impliqués dans l'adhésion cellulaire. En conclusion, dHCF est une protéine, conservée dans l'évolution, qui se lie spécifiquement a beaucoup d'endroits du génome de Drosophile, grâce à l'interaction avec d'autres protéines, pour réguler l'expression des gènes impliqués dans plusieurs fonctions cellulaires.

Perinuclear Mlp proteins down-regulate gene expression in response to a defect in mRNA export

Résumé Une caractéristique des cellules eucaryotes est le confinement du matériel génétique (ADN/DNA) dans le noyau. Pour décoder cette information, un ARN messager (mRNA) est d'abord transcrit sous forme d'un ARN prémessager (pré-mRNA). Ce-dernier doit subir plusieurs étapes de maturation pour aboutir à une particule ribonucléoprotéique (mRNP) qui sera exportée vers le cytoplasme et traduite en protéine. La protéine de levure Mex67p et son homologue humain TAP sont des récepteurs d'export médiant la translocation du mRNP au travers des complexes du pore nucléaire (NPC). Mex67p/TAP ne se lient pas directement au mRNA, mais nécessitent la présence de protéines adaptatrices, telles que Yra1p et son homologue humain REF1. Afin d'identifier de nouveaux facteurs impliqués dans l'export des mRNPs ou de nouvelles fonctions pour Yra1p, nous avons effectué un crible génétique avec un mutant thermosensible de Yra1p, GFP-yra 1 -8. Ce mutant présente un défaut d'export des mRNAs et une diminution des niveaux de transcrits du gène rapporteur LacZ ainsi que de certains transcrits endogènes. Nous avons trouvé que la perte de Mlp2p, ou d'une protéine hautement similaire, Mlp1p, restaure la croissance du mutant GFP-yra1-8 à température restrictive. Mlp1p et Mlp2p sont des protéines nucléaires, dont l'homologue humain est TPR. Les Mlp (myosin¬like proteins) ainsi que TPR forment des structures filamenteuses ancrées aux NPC. Bien que la fonction des Mlp ne soit pas clairement définie, un rôle dans la biogenèse et la surveillance des mRNPs a été récemment proposé. Notre étude montre que la perte des Mlp, non seulement restaure la croissance de GFP-yra1-8, mais augmente aussi les niveaux des transcrits LacZ et facilite leur apparition dans le cytoplasme. Des expériences d'immunoprécipitations de la chromatine révèlent que Mlp2p diminue le taux de synthèse du transcrit LacZ dans GFP-yra1-8. Des analyses du transcriptome montrent que Mlp2p réduit aussi les niveaux d'une population de transcrits endogènes dans le mutant. Finalement, des localisations in situ suggèrent que la transcription du rapporteur LacZ a lieu à la périphérie du noyau, à proximité des Mlp. Ainsi, les protéines Mlp pourraient préférentiellement diminuer la transcription de gènes exprimés à la périphérie nucléaire. Nous montrons aussi que Yra1p interagit génétiquement avec Nab2p une protéine liée au mRNA et impliquée dans son export, mais non avec d'autres protéines également impliquées dans l'export des mRNAs. Les résultats obtenus soutiennent un modèle où les protéines Yra1p et Nab2p sont nécessaires à l'arrimage des mRNPs sur la plate-forme des Mlp. Si ces signaux manquent ou sont défectueux, les mRNPs ne peuvent pas poursuivre leur trajet vers le canal central du NPC. Ce bloc induirait par la suite une diminution de la transcription d'une population de gènes potentiellement localisée à la périphérie nucléaire. Dans son ensemble, cette étude suggère que les protéines Mlp établissent un lien entre la transcription de certains mRNAs et leur export au travers du pore nucléaire. Summary A hallmark of the eukaryotic cell is the packaging of DNA in the nucleus. To decode the genetic information, a messenger RNA (mRNA) is first synthesized as a pre-mRNA molecule, which undergoes different maturation steps resulting in an mRNP (messenger RNA ribonucleoprotein), which can be actively transported to the cytoplasm and translated into a protein. Yeast Mex67p and its human homologue TAP are export receptors mediating mRNP translocation through the nuclear pore complex (NPC). The recruitment of Mex67p/TAP to mRNA is mediated by mRNA export adaptors of the evolutionarily conserved REF (RNA and Export Factor binding) family: yeast Yra1p and human REF1. To uncover new functions of Yra1p or new factors implicated in mRNA export, we performed a genetic screen with a themiosensitive (ts) yra1 mutant, GFP-yra1-8. This mutant exhibits mRNA export defects and a decrease in the levels of LacZ reporter and certain endogenous transcripts. We found that the loss of Mlp2p, or the related Mlp1p protein, substantially rescues the growth defect of the GFP-yra1 -8 mutant. Mlp1p and M1p2p are large non-essential proteins, homologous to human TPR, proposed to form intra-nuclear filamentous structures anchored at the NPC. Their role is not clearly defined, but they have been implicated in mRNP biogenesis and surveillance. Our study shows that loss of Mlp proteins not only restores growth of GFP-yra1-8, but also rescues LacZ mRNA levels and increases their appearance in the cytoplasm. Chromatin immunoprecipitation and pulse chase experiments indicate that Mlp2p down-regulates LacZ mRNA synthesis in GFP-yra1-8. DNA micro- array analyses reveal that Mlp2p also reduces the levels of a subset of cellular transcripts in the yra1 mutant strain. In situ localizations suggest that LacZ transcription occurs at the nuclear periphery, in close proximity to Mlp proteins. Thus, Mlp proteins may preferentially down-regulate genes expressed at the nuclear periphery. Finally, we show that Yra1p genetically interacts with the shuttling mRNA-binding protein Nab2p and that loss of Mlp proteins rescues the growth defect of yra1 and nab2, but not other mRNA export mutants. The data support a model in which Nab2p and Yra1p are required for rnRNP docking to the Mlp platform. Lack of these signals prevents mRNPs from crossing the Mlp gate. This block may then negatively feed-back on the transcription of a subset of genes, potentially located at the nuclear envelope. Overall, this study suggests that perinuclear Mlp proteins establish a link between mRNA transcription and export.

Experience-dependent plasticity in the mouse barrel cortex

Abstract : Host-Cell Factor 1 (HCF-1) was first discovered in the study of the herpes simplex virus (HSV) infection. HCF-1 is one of the two cellular proteins that compose the VP16-induced complex, a key activator of HSV lytic infection. lncleed, when HSV infects human cells, it is able to enter two modes of infection: lytic or latent. The V`P16-induced complex promotes the lytic mode and in so doing the virus targets important cellular regulatory proteins, such as HCF-1, to manipulate the status of the infected cell. Indeed, HCF-1 regulates human cell proliferation and the cell cycle at different steps. In human, HCF-1 is unusual in that it undergoes a process of proteolytic maturation that results from cleavages at six centrally located 26 amino acid repeats called HCF-1pro repeats. This generates a heterodimeric complex of stably associated amino- (HCF-1n) and carboxy- (HCF-1c) terminal subunits. The absence of the HCF-1 N or HCF-1; subunit leads predominantly to either G1 or M phase defects, respectively. We have hypothesized that HCF-1 forms a heterodimeric complex to permit communication between the two subunits of HCF-1 involved in regulating different phases of the cell cycle. Indeed, there is evidence for such inter-subunit communication because a point mutation called P134S in the HCF-1N subunit in the temperature-sensitive hamster cell line tsBN67 causes, addition to G1- phase defects associated with the HCF-1n subunit, M-phase defects similar to the defects seen upon loss of HCF-1 function. Furthermore, inhibition of the proteolytic maturation of HCF-1 by deletion of the six HCF-1pro repeats (HCF-1Aimo) also leads to M-phase defects, specifically cytokinesis defects leading to binucleation, indicating that there is loss of HCF-15 function in the absence of HCF-1 maturation. I demonstrate that individual point mutations in each of the six HCF-1pro repeats that prevent HCF-1 proteolytic maturation also lead to binucleation; however, this defect can be latgely rescued by the presence of just one HCF-1pRO sequence in I-ICF»1. These results argue that processing itself is important for the HCF-1g function. In fact, until now, the hypothesis was that the proteolytic processing per se is more important for HCF-1C function than the proteolytic processing region. But I show that processing per se is not sufticient to rescue multinucleation, but that the HCF-lpm sequence itself is crucial. This discovery leads to the conclusion that the I-ICF-1pRO repeats have an additional function important for HCF-le function. From the studies of others, one potential function of the HCF-lrxo tepeats is as a binding site for O-link NAcetyl glycosamine tansferase (OGT) to glycosylate an HCF-1n-sunbunit region called the Basic region. This new function suggests the Basic region of HCF-1n is also implicated in the communication between the two subunits. This inter-subunit communication was analyzed in more detail with the studies of the Pl34S mutation and the residues 382-450 region of HCF-l that when removed prevents HCF-l subunit association. I demonstrate that the point mutation also leads to a binucleation defect in Hela cells as well as in the tsBN67 cells. In addition, the effect of this mutation on the regulation of HCF-1c activity seems to interfere with that of the HCF-lpgg repeats because the sum of the deletion of the proteolytic processing region and the point mutation surprisingly leads to re-establishment of correct cytokinesis. The study of the 382-450 HCF-lN region also yielded surprising results. This region important for the association of the two subunits is also important for both HCF-1c function in M phase and G1 phase progression. Thus, I have discovered two main functions of this region: its role in the regulation of HCF-lc function in M phase and its involvement in the regulation of G1/S phase ?- an HCF-1n function. These results support the importance of inter-subunit communication in HCF-1 functions. My research illuminates the understanding of the interaction of the two subunits by showing that the whole HCF-1n subunit is involved in the inter-subunit communication in order to regulate HCF-1c function. For this work, I was concentrated on the study of cytokinesis; the first phenotype showing the role of HCF-1c in the M phase. Then, I extended the study of the M phase with analysis of steps earlier to cytokinesis. Because some defects in the chromosome segregation was already described in the absence of HCF-1, I decided to continue the study of M phase by checking effects on the chromosome segregation. I showed that the HCF-1n subunit and HCF-1pro repeats are both important for this key step of M phase. I show that the binucleation phenotype resulting from deletion or mutation in HCF-1pro repeats, Pl34S point mutation or the lack of the region 382-450 are correlated with micronuclei, and chromosome segregation and alignment defects. This suggests that HCF«lç already regulates M phase during an early step and could be involved in the complex regulation of chromosome segregation. Because one of the major roles of HCF-1 is to be a transcription regulator, I also checked the capacity of HCF-1 to bind to the chromatin in my different cell lines. All my recombinant proteins can bind the chromatin, except for, as previously described, the HCF-1 with the P134S point mutation, This suggests that the binding of HCF-1 to the chromatin is not dependant to the Basic and proteolytic regions but more to the Kelch domain. Thus, if the function of HCF-ig in M phase is dependant to its chromatin association, the intercommunication and the proteolytic region are not involved in the ability to bind to the chromatin but more to bind to the right place of the chromatin or to be associated with the co-factors. Résumé : L'étude de l'infection par le virus Herpes Simplex (HSV) a permis la découverte de la protéine HCF-1 (Host-Cell Factor). HCF-1 est une des protéines cellulaires qui font partie du complexe induit par VP16 ; ce complexe est la clef pour l'activation de la phase lytique de HSV. Afin de manipuler les cellules infectées, le complexe induit pas le VPIG devrait donc cibler les protéines importantes pour la régulation cellulaire, telles que la protéine HCF-1. Cette dernière s'avère donc être un senseur pour la cellule et devrait également jouer un rôle de régulation lors des différentes phases du cycle cellulaire. Chez l'humain, HCF-1 a la particularité de devoir passer par une phase de maturation pour devenir active. Lors de cette maturation, la protéine subit une coupure protéolytique au niveau de six répétitions composées de 26 acides aminés, appelé HCF-1pro repeats. Cette coupure engendre la formation d'un complexe formé de deux sous-unités, HCF-1n et HCF-1c, associées l'une à l'autre de façon stable. Enlever la sous-unité HCF-IN ou C entraîne respectivement des défauts dans la phase G1 et M. Nous pensons donc que HCF-1 forme un complexe hétérodimérique afin de permettre la communication entre les molécules impliquées dans la régulation des différentes phases du cycle cellulaire. Cette hypothèse est déduite suite à deux études: l'une réalisée sur la lignée cellulaire tsBN67 et l'autre portant sur l'inhibition de la maturation protéolytique. La lignée cellulaire tsBN67, sensible à la température, porte la mutation Pl 345 dans la sous-unité HCF-1n. Cette mutation, en plus d'occasionner des défauts dans la phase G1 (défauts liés à la sous-unité HCF-1N), a aussi pour conséquence d'entrainer des défauts dans la phase M, défauts similaires à ceux dus a la perte de la sous-unité HCF-1c. Quant à la maturation protéolytique, l'absence de la région de la protéolyse provoque la binucléation, défaut lié à la cytokinèse, indiquant la perte de la fonction de la sous-unité HCF-1c. Au cours de ma thèse, j'ai démontré que des mutations dans les HCF-1=no repeats, qui bloquent la protéolyse, engendrent la binucléation ; cependant ce défaut peut être corrigé pas l'ajout d'un HCF-1pro repeat dans un HCF-1 ne contenant pas la région protéolytique. Ces résultats soutiennent l'idée que la région protéolytique est importante pour le bon fonctionnement de HCF-1c. En réalité jusqu'a maintenant on supposait que le mécanisme de coupure était plus important que la région impliquée pour la régulation de la fonction de HCF-1;. Mais mon étude montre que la protéolyse n'est pas suffisante pour éviter la binucléation ; en effet, les HCF-1pro repeats semblent jouer le rôle essentiel dans le cycle cellulaire. Cette découverte conduit à la conclusion que les HCF-1pro repeats ont sûrement une fonction autre qui serait cruciale pour la foncton de HCF-1c. Une des fonctions possibles est d'être le site de liaison de l'O-linked N-acetylglucosamine transférase (OGT) qui glycosylerait la région Basique de HCF-1n. Cette nouvelle fonction suggère que la région Basique est aussi impliquée dans la communication entre les deux sous- unités. L'intercommunication entre les deux sous-unités ai été d'ailleurs analysée plus en détail dans mon travail à travers l'étude de la mutation Pl34S et de la région 382-450, essentielle pour l'association des deux sous»unités. J'ai ainsi démontré que la mutation P134S entraînait aussi des défauts dans la cytokinése dans la lignée cellulaire Hela, de plus, son influence sur HCF-1c semble interférer avec celle de la région protéolytique. En effet, la superposition de ces deux modifications dans HCF-1 conduit au rétablissement d'une cytokinése correcte. Concernant la région 382 à 450, les résultats ont été assez surprenants, la perte de cette région provoque l'arrêt du cycle en G1 et la binucléation, ce qui tend à prouver son importance pour le bon fonctionnement de HCF-1n et de HCF-1c. Cette découverte appuie par conséquent l'hypotl1èse d'une intercommunicatzion entre les deux sous-unités mettant en jeu les différentes régions de HCF-1n. Grâce à mes recherches, j'ai pu améliorer la compréhension de l'interaction des deux sous-unités de HCF-1 en montrant que toutes les régions de HCF-1n sont engagées dans un processus d'intercommunication, dont le but est de réguler l'action de HCF-1c. J'ai également mis en évidence une nouvelle étape de la maturation de HCF-1 qui représente une phase importante pour l'activation de la fonction de HCF-1c. Afin de mettre à jour cette découverte, je me suis concentrée sur l'étude de l'impact de ces régions au niveau de la cytokinése qui fut le premier phénotype démontrant le rôle de HCF-1c dans la phase M. A ce jour, nous savons que HCF-1c joue un rôle dans la cytokinèse, nous ne connaissons pas encore sa fonction précise. Dans le but de cerner plus précisément cette fonction, j'ai investigué des étapes ultérieures ai la cytokinèse. Des défauts dans la ségrégation des chromosomes avaient déjà été observés, ai donc continué l'étude en prouvant que HCF-1n et les HCF-1pro repeats sont aussi importants pour le bon fonctionnement de cette étape clef également régulée par HCF-1c. J' ai aussi montré que la région 382-450 et la mutation P134S sont associées à un taux élevé de micronoyaux, de défauts dans la ségrégation des chromosomes. L'une des fonctions principales de HCF-1 étant la régulation de la transcription, j'ai aussi contrôlé la capacité de HCF-1 à se lier à la chromatine après insertion de mutations ou délétions dans HCF-1n et dans la région protéolytique. Or, à l'exception des HCF-1 contenant la mutation P134S, la sous-unité HCF-1c des HCF-1 tronquées se lie correctement à la chromatine. Cette constatation suggère que la liaison entre HCF-1c et chromatine n'est pas dépendante de la région Basique ou Protéolytique mais peut-être vraisemblablement de la région Kelch. Donc si le rôle de HCF-1c est dépendant de sa capacité â activer la transcription, l'intercommunication entre les deux sous-unités et la région protéolytique joueraient un rôle important non pas dans son habileté à se lier à la chromatine, mais dans la capacité de HCF-1 à s'associer aux co-facteurs ou à se placer sur les bonnes régions du génome.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Ewing sarcoma cancer stem cells : from mechanisms to therapeutic targeting

Le sarcome d'Ewing (SE) est la 2ème tumeur des os la plus fréquente chez les enfants, et le pronostic est sombre au stade métastatique. La pathogenèse du SE repose sur une translocation, provocant la fusion du domaine activateur du facteur de transcription EWS, avec la partie liant l'ADN de la protéine FLI-1. Les cellules souches cancéreuses (CSC) sont supposées être les moteurs de la croissance tumorale, et représente de ce fait des cibles thérapeutiques préférentielles. Dans ce travail nous nous sommes efforcés de comprendre, ainsi que de cibler les mécanismes liés à l'émergence des CSC dans le sarcome d'Ewing. La formation des CSC du ES est liée à un défaut de maturation des miRNAs provoqué par une sous-expression d'un gène, TARBP2, dans les CSC. Ce défaut de maturation peut être corrigé par un traitement des cellules avec de l'enoxacine, une fluoroquinolone utilisée pour traiter les infections urinaires. L'enoxacine seule n'étant pas suffisante pour éradiquer les tumeurs in vivo, nous avons testé la combinaison d'une thérapie ciblée sur les CSC avec une chimiothérapie classique, la doxorubicine, ciblant les cellules différentiées. In vitro l'enoxacine induit l'apoptose dans les CCS sans affecter les cellules différentiées, alors que à l'inverse, la doxorubicine n'affecte que les cellules de la « masse » tumorale. In vivo la combinaison de ces deux drogues inhibe la croissance de tumeurs provenant de cellules primaires xenotranplantées et éradique les CSCs. Nos résultats mettent en lumière une nouvelle approche thérapeutique directement applicable pour le sarcome d'Ewing, et pourraient ainsi rapidement déboucher sur des essais cliniques. Dans la deuxième partie de ce travail nous avons essayé de comprendre comment EWS-FLI1, la protéine de fusion issue de la translocation chromosomique du sarcome d'Ewing conduit à la génération des CSC. Pour cela nous avons effectué des ChIPseq (immunoprecipitation de la chromatine suivi de séquençage) pour EWS-FLI1 ainsi que pour certaines modifications histoniques. -- Ewing sarcoma family tumors (ESFT) are the second most frequent bone tumors in children and have a high rate of recurrence when metastatic at presentation. The pathogenesis of Ewing sarcoma is underlayed by a translocation, leading to the fusion of the trans-activating domain of EWS with the FLU DNA binding domain. Cancer stem cells (CSCs) are thought to be the driving force of tumor growth. In this work we focused on understanding the mechanisms underlying ESFT CSC emergence as well as defining targeted therapeutic strategies. Emergence of CSCs in ESFT has been shown to arise from a defect in TARBP2-dependent microRNA maturation, which can be corrected by exposure to the fluoroquinolone enoxacin. As enoxacin alone is not sufficient to reverse tumor growth in vivo, we assessed the effect of combining a drug that abrogates CSC properties with doxorubicin, a standard-of-care therapy in ESFT. Primary ESFT CSCs and bulk tumor cells were treated with different concentration of drugs and displayed divergent responses to doxorubicin and enoxacin. Doxorubicin, which targets the tumor bulk, displayed toxicity toward primary adherent ESFT cells in culture but not to CSC-enriched ESFT spheres. Conversely, enoxacin induced apoptosis but only in ESFT spheres and specifically on the CD133+ population. In combination, the two drugs markedly depleted CSC and strongly reduced primary growth in xenograft assays of two primary ESFT. Our results identify a potentially attractive therapeutic strategy for ESFT that combines mechanism-based targeting of CSC using a low toxicity antibiotic with a standard-of-care cytotoxic drug, offering immediate applications for clinical evaluation. In the second part of this work we performed chromatin immunopercipitation on CSCs and bulk cells for EWS-FLI1 binding as well as some chromatin modifications, and concluded that EWS-FLI1 shows cell context dependent binding.

Functional impact of genetic variation on gene expression

Numerous links between genetic variants and phenotypes are known and genome-wide association studies dramatically increased the number of genetic variants associated with traits during the last decade. However, how changes in the DNA perturb the molecular mechanisms and impact on the phenotype of an organism remains elusive. Studies suggest that many traitassociated variants are in the non-coding region of the genome and probably act through regulation of gene expression. During my thesis I investigated how genetic variants affect gene expression through gene regulatory mechanisms. The first chapter was a collaborative project with a pharmaceutical company, where we investigated genome-wide copy number variation (CNVs) among Cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis) used in pharmaceutical studies, and associated them to changes in gene expression. We found substantial copy number variation and identified CNVs linked to tissue-specific expression changes of proximal genes. The second and third chapters focus on genetic variation in humans and its effects on gene regulatory mechanisms and gene expression. The second chapter studies two human trios, where the allelic effects of genetic variation on genome-wide gene expression, protein-DNA binding and chromatin modifications were investigated. We found abundant allele specific activity across all measured molecular phenotypes and show extended coordinated behavior among them. In the third chapter, we investigated the impact of genetic variation on these phenotypes in 47 unrelated individuals. We found that chromatin phenotypes are organized into local variable modules, often linked to genetic variation and gene expression. Our results suggest that chromatin variation emerges as a result of perturbations of cis-regulatory elements by genetic variants, leading to gene expression changes. The work of this thesis provides novel insights into how genetic variation impacts gene expression by perturbing regulatory mechanisms. -- De nombreux liens entre variations génétiques et phénotypes sont connus. Les études d'association pangénomique ont considérablement permis d'augmenter le nombre de variations génétiques associées à des phénotypes au cours de la dernière décennie. Cependant, comprendre comment ces changements perturbent les mécanismes moléculaires et affectent le phénotype d'un organisme nous échappe encore. Des études suggèrent que de nombreuses variations, associées à des phénotypes, sont situées dans les régions non codantes du génome et sont susceptibles d'agir en modifiant la régulation d'expression des gènes. Au cours de ma thèse, j'ai étudié comment les variations génétiques affectent les niveaux d'expression des gènes en perturbant les mécanismes de régulation de leur expression. Le travail présenté dans le premier chapitre est un projet en collaboration avec une société pharmaceutique. Nous avons étudié les variations en nombre de copies (CNV) présentes chez le macaque crabier (Macaca fascicularis) qui est utilisé dans les études pharmaceutiques, et nous les avons associées avec des changements d'expression des gènes. Nous avons découvert qu'il existe une variabilité substantielle du nombre de copies et nous avons identifié des CNVs liées aux changements d'expression des gènes situés dans leur voisinage. Ces associations sont présentes ou absentes de manière spécifique dans certains tissus. Les deuxième et troisième chapitres se concentrent sur les variations génétiques dans les populations humaines et leurs effets sur les mécanismes de régulation des gènes et leur expression. Le premier se penche sur deux trios humains, père, mère, enfant, au sein duquel nous avons étudié les effets alléliques des variations génétiques sur l'expression des gènes, les liaisons protéine-ADN et les modifications de la chromatine. Nous avons découvert que l'activité spécifique des allèles est abondante abonde dans tous ces phénotypes moléculaires et nous avons démontré que ces derniers ont un comportement coordonné entre eux. Dans le second, nous avons examiné l'impact des variations génétiques de ces phénotypes moléculaires chez 47 individus, sans lien de parenté. Nous avons observé que les phénotypes de la chromatine sont organisés en modules locaux, qui sont liés aux variations génétiques et à l'expression des gènes. Nos résultats suggèrent que la variabilité de la chromatine est due à des variations génétiques qui perturbent des éléments cis-régulateurs, et peut conduire à des changements dans l'expression des gènes. Le travail présenté dans cette thèse fournit de nouvelles pistes pour comprendre l'impact des différentes variations génétiques sur l'expression des gènes à travers les mécanismes de régulation.