Dissertations / Theses on the topic 'Réseau transcriptionnel'

L’avènement ces dernières années de technologies à haut débit comme les puces à ADN et plus récemment le « séquençage nouvelle génération » permet maintenant une analyse exhaustive du génome à différents niveaux de régulation parmi lesquels la mesure de l’expression de l’ensemble des gènes d’une cellule, les interactions ADN - facteurs de transcription, ou encore la méthylation de l’ADN. Il devient alors indispensable d’intégrer ces différentes données afin de pouvoir comprendre puis modéliser tous les mécanismes mis en jeu pour le fonctionnement global d’une cellule. Cette compréhension permettra alors de mieux appréhender les sources de dérégulation à l’origine de nombreuses pathologies. L’objectif de mon travail de thèse est de comprendre l’impact du coactivateur transcriptionnel PRC (PGC-1 Related Coactivator) sur la coordination de la prolifération mitochondriale et cellulaire, à partir de cellules de la lignée tumorale humaine XTC. UC1, riche en mitochondries. Pour cela, PRC et les facteurs de transcription ERRa, NRF1, GABP, CREB et YY1 impliqués dans ces deux processus ont été étudiés par ChIP-chip. Les gènes positifs pour ces différents facteurs sont alors comparés au transcriptome des mêmes cellules sous l’effet d’un siRNA PRC. L’intégration de ces différentes données de transcriptome et de ChIP-chip, couplées à des études de découverte de motifs, permettra ainsi de construire des réseaux de régulation transcriptionnelle nécessaires à la compréhension des voies d’action de PRC. Ces réseaux rendront possible la détection de cibles thérapeutiques permettant de corriger un état pathologique
Emergence over the last few years of high throughput technologies like DNA microarray and more recently next generation sequencing now allows an exhaustive analysis of genome with several regulation levels including expression measure of all cell genes, DNA – transcription factors interactions, and also DNA methylation. It thus becomes indispensable to integrate these different data to be able to understand and then to model all these mechanisms involved in global cell function. This understanding will then enable to apprehend the sources of deregulation involved in many pathologies. The goal of my PhD is to understand the impact of PRC (PGC-1 Related Coactivator) transcriptional coactivator on the coordination of mitochondrial and cellular proliferation, from human tumor cell line XTC. UC1, rich in mitochondria. To do so, PRC and transcription factors ERRa, NRF1, GABP, CREB and YY1 involved in these two processes have been studied with ChIP-chip. Positive genes for these transcription factors are then compared with transcriptome of the same cells under siRNA PRC effects. Integration of these different data of transcriptome and ChIP-chip, coupled with study of motifs discovery, will allow to construct the transcriptional regulatory networks necessary to the understanding of PRC pathways. These networks will make possible the detection of therapeutic targets allowing to correct pathological condition

L'inactivation du chromosome X est la réponse trouvée par l'évolution pour pallier à la divergence gonosomique entre mâle (XY) et femelle (XX). Ce phénomène sert donc à mettre les deux sexes sur un pied d'égalité en limitant la quantité de transcrits provenant des chromosomes X présents dans les cellules femelles. Au cours de mon doctorat, j'ai tenté de contribuer à l'étude des mécanismes de régulation transcriptionnelle, notamment l'activation, des deux acteurs principaux de l'inactivation: Xist et Tsix, son transcrit antisens. Pendant ces 4 anne��es, j'ai entrepris de cartographier le profil de fixation de plusieurs protéines le long du locus Xist/Tsix, dans le but de comprendre les mécanismes permettant une surexpression de Xist lors de la disparition de ses facteurs répressifs en cours de différenciation. J'ai donc pu établir un modèle de régulation transcriptionnelle de l'ARN non-codant Xist, impliquant plusieurs protéines connues pour leur rôle dans la régulation transcriptionnelle (CTCF et YY1) aussi bien que dans la formation de structures tridimensionnelles (la cohésine). La pertinence de ce modèle est renforcée par nos études montrant que de nombreux aspects de ce modèle sont conservés à travers l'évolution (notamment chez l'homme). J'ai également pu contribuer à la découverte de nouveaux activateurs de Tsix, certains facteurs de pluripotence se fixant au minisatellite DxPas34 afin de réguler l'élongation de la transcription de l'antisens. Ces résultats apportent donc d'importantes informations concernant les mécanismes régulant la mise en place du phénomène d'inactivation du chromosome X au cours du développement précoce de l'embryon.

Malgré les progrès réalisés dans le séquençage de l’ADN, nous n’avons pas encore compris comment le phénotype d’un organisme se rapporte au contenu de son génome. Cependant, il est devenu clair que l'impact des gènes dépend du contexte. La simple présence d'un gène dans un génome ne nous informe pas du moment où il est exprimé et des autres gènes qui y sont exprimés. Comprendre comment l'expression des gènes est régulée est un élément nécessaire pour comprendre comment les phénotypes émergent d'un génotype donné. Les facteurs de transcription, qui peuvent activer ou réprimer l'expression d'un gène, forment un réseau complexe d'interactions entre eux et leurs gènes ciblés. Ce réseau consiste en une hiérarchie de groupes de facteurs de transcription fortement liés, chacun lié à des processus cellulaires distincts. La structure de ce réseau de régulation transcriptionnelle est-elle significative pour la réponse transcriptionnelle d'une cellule? Ici, nous utilisons une protéine de liaison à l'ADN programmable appelée CRISPR (répétitions courtes palindromiques groupées régulièrement) pour perturber l'expression génique des régulateurs globaux au sein du réseau de régulation transcriptionnelle. Ces régulateurs mondiaux régulent de nombreux processus cellulaires distincts et ont de nombreuses cibles génétiques. Le système CRISPR nous permet de perturber ces régulateurs dans toutes les combinaisons possibles, y compris les perturbations d'ordre supérieur avec tous les régulateurs mondiaux potentiellement ciblés perturbés en même temps. Nous enregistrons ensuite à la fois le modèle d'expression du transciptome en utilisant le séquençage de l'ARN et l'adéquation de chaque souche. Nous trouvons que la structure du réseau de régulation augmente la dimensionnalité de la réponse transcriptionnelle plutôt que de la réduire. Cela se traduit par une épistasie importante au-delà des interactions par paires. Cela a des implications sur la façon dont ces réseaux évoluent. L'épistasie par paires que nous trouvons entre les facteurs de transcription globaux repose sur la présence ou l'absence d'autres perturbations. Cela implique que d'autres perturbations pourraient agir comme des mutations de potentialisation. Le nombre de voies d'évolution potentielles augmente avec les épistasies d'ordre élevé, même si cela ne nous dit rien sur la qualité de ces voies. Fait important, les répliques de cette thèse sont toujours en cours et les données présentées ici n’ont pas encore exclu les artefacts expérimentaux
Despite advances in DNA sequencing, we have yet to understand how an organism’s phenotype relates to the contents of their genome. However it has become clear that the impact of genes are context dependant. The mere presence of a gene within a genome does not inform us of when it is expressed, and which other genes are expressed along with it. Understanding how gene expression is regulated is a necessary piece of understanding how phenotypes emerge from a given genotype. Transcription factors, which can activate or repress the expression of a gene, form a complex network of interactions between themselves and their targeted genes. This network consists of a hierarchy of groups of strongly connected transcription factors, each relating to distinct cellular processes. Is the structure of this transcriptional regulatory network significant to the transcriptional response of a cell? Here we use a programmable DNA binding protein called CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) to perturb gene expression of global regulators within the transcriptional regulatory network. These global regulators are regulating many distinct cellular processes and have many genetic targets. The CRISPR system allows us to perturb these regulators in all possible combinations, including higher order perturbations with potentially all targeted global regulators perturbed at the same time. We then record both the expression pattern of the transciptome using RNA sequencing, and the fitness of each strain. We find that the structure of the regulatory network increases the dimensionality of the transcriptional response rather than reducing it. This results in significant high order epistasis beyond pair-wise interactions. This has implications for how these networks evolve. The pair-wise epistasis we find between global transcription factors rely on the presence or absence of other perturbations. This implies that other perturbations could act as potentiating mutations. The number of potential evolutionary paths increases with high order epistasis, although this alone tells us nothing about the quality of those paths. Importantly, the replicates for this thesis are still on-going and the data presented here has not yet excluded experimental artefacts

Une part prépondérante de la régulation au niveau transcriptionnel passe par la modulation du taux d’initiation de la transcription. Chez les bactéries,l’initiation de la transcription implique la reconnaissance par le facteur sigma de l’ANR polymérase d’un motif de séquence particulier localisé approximativement10 bp en amont du site d’initiation de la transcription(TSS). Elle est modulée par la fixation de facteurs de transcription qui reconnaissent d’autres motifs à proximité. La technologie RNA-Seq donne accès au répertoire des TSS et des unités de transcriptions et offre donc des perspectives renouvelées pour s’attaquer au problème de l’identification des motifs de fixation des facteurs de transcription. Ce travail de thèse a visé à évaluer les outils existants et à développer de nouvelles méthodes pour la prédiction des sites de fixation des facteurs de transcription en combinant l’information des profils d’expression et des positions des TSS. Plusieurs approches fondées sur les modèles de matrices poids-position (PWM) vont être explorées pour étendre le modèle de mélange classiquement utilisé en relâchant l’hypothèse selon laquelle les motifs correspondants aux différents sites de fixations apparaissent indépendamment dans les différentes régions promotrices. Dans les nouveaux modèles, nous prendrons explicitement en compte une probabilité supérieure d’apparition d’un même motif dans des promoteurs dont les profils d’activité sont similaires. Une attention particulière sera aussi portée à la position du motif par rapport au TSS et au site de fixation du facteur sigma. En parallèle des développements méthodologiques nous travaillerons aussi sur l’utilisation de ces approches pour reconstruire le réseau des régulations transcriptionnelles chez L. monocytogenes en s’appuyant sur les données de la littérature et du projet List MAPS. Enfin,nous envisageons d’utiliser l’information sur le réseau de régulation pour étudier un point particulier qui serait pertinent
This PhD project takes place in List MAPS, a Horizon 2020-funded Marie Curie Actions InnovativeTraining Network (ITN) with the goal of understandingof the ecology of Listeria monocytogenesthrough the combination of high throughput Epigenetics, Deep sequencing of transcripts, Proteomics, Bioinformatics, Mathematics and Microbiology. Acentralobjective of the ITN is to decipher the mechanismsunderlying adaptation and virulence of L. monocytogenes“from farm to fork”.This PhD project (subproject9) aims to tackle the task of transcription regulatorynetwork construction. A significant part of regulationat the transcriptional level is achieved by modulationof transcription initiation rate. In bacteria, transcriptioninitiation relies on recognition of particular sequencemotif by a Sigma-factor approximately 10 bpupstream of the transcription start site (TSS) and ismodulated by the binding of transcription factors recognizingother sequence motifs located nearby. RNASeqtranscriptomics provides direct information on therepertoire of TSSs and transcription units and therebyoffers renewed perspectives to address the problemof transcription factor binding sites identification. Thegoal of this PhD project is to assess existing toolsand to develop new methods for prediction of TF bindingsites by combining expression profiles and preciseinformation on the location of the TSSs. Severalapproaches based on position weight matrix (PWM)models will be investigated to extend the classicalmixture model by relaxing the hypothesis that motifscorresponding to different TF binding sites occur independentlybetween TSS regions.In the new model,we will explicitly account for the increased probabilityof occurrence of a same motif in two promoters whentheir profiles of activity across conditions are similar. A particular attention will also be paid to the positionof the motif with respect to the TSS and the sigmafactor binding site. In parallel to the methodologicaldevelopments we will also work on the use of theseapproaches to build the transcription regulatory networkof L. monocytogenes based on data form theliterature and from the List MAPS project. Finally, wewish to use the information on the regulatory networkto tackle a particular point relevant for the List MAPSproject using a dedicated model

La leucémie lymphoïde chronique (LLC) est un syndrome lymphoprolifératif B de mécanisme encore mal élucidé, caractérisé par une évolution clinique hétérogène. Les cellules des formes agressives de LLC se distinguent des formes indolentes par la nature de leur récepteur à l'antigène (BCR) Elles présentent également des anomalies d'intégration de plusieurs voies de signalisation cytoplasmiques, dont la voie du BCR et les voies de réponse aux lésions de l'ADN, associées à de fréquentes aberrations génétiques. Les cellules de LLC révèlent un profil transcriptionnel qui les distingue des autres hémopathies. Différents programmes transcriptionnels ont alors été étudiés dans différentes catégories de cellules de LLC, à l'état basai et après stimulation cellulaire. La comparaison de l'expression génique de ces cellules avant et après lésion de l'ADN par rayonnement ionisant a ainsi montré un profil spécifique des cellules résistantes à l'apoptose en réponse à ces lésions. L'analyse fonctionnelle des produits de gènes spécifiques des cellules agressives à l'état basai et après stimulation a montré un désordre complexe de l'expression de multiples gènes. L'analyse non supervisée du transcriptome dans les 6h après stimulation du BCR a ensuite révélé un programme transcriptionnel spécifique des cellule de LLC les plus agressives. Afin d'étudier l'action concertée de ces milliers de gènes dans le temps, des réseaux de régulation génique ont été modélisés. L'architecture de ces premiers modèles révèle des nœuds transcriptionnels, premières cibles à influencer pour moduler les réseaux d'expression génique des cellules les plus agressives
Chronic lymphocytic leukemia (CLL) is a B lymphoproliferative disorder of unknown mechanism, characterized by a heterogeneous clinical outcome. Cells from the more aggressive CLL subtype show a specific B cell receptor (BCR). The resulting integrated signal from several pathways, such as BC stimulation and DNA damage response, is also impaired contributing to frequent genetic aberrations. CLL cells reveal a specific transcriptional profile compared to other hematopoietic neoplasms. Several transcriptional programs were then studied within different CLL cells subtypes, at the basal level or after cell stimulation. Gene expression comparison before and after DNA damage by ionizing irradiation showed a specific transcriptional response for the apoptosis resistant cells Functional gene product analysis of the more aggressive cells at the basal level or after cell stimulation showed complex disorder of multiple gene expression. Unsupervised gene expression analysis over 6hrs after BCR cross-linking revealed a transcriptional program specific for the more aggressive CLL cells. In order to understand the concerted action of these thousand of genes over time, temporal gene interaction models were inferred. The scale free architecture of these models revealed transcriptional nodes, suggesting rational targets to perturb these pathways in the more aggressive cells

L’évolution par la duplication de gènes est maintenant reconnue comme un des mécanismes les plus importants dans l’évolution et plusieurs évidences ont été retrouvées dans le génome des organismes. Ce qui est moins connu, et plus débattu, est l’implication respective de la divergence de la régulation transcriptionnelle et de la divergence de la séquence codante dans l’évolution phénotypique. Nous avons établi une méthode nous permettant d’évaluer le rôle de la régulation transcriptionnelle dans la divergence des interactions protéine-protéine sur les gènes dupliqués chez l’organisme Saccharomyces cerevisiae. Nos résultats démontrent que cette méthode peut être utilisée pour vérifier si la différence d’interactions protéine-protéine peut être expliquée par la divergence de la régulation transcriptionnelle ou par la divergence de séquence codante. Nous avons identifié des cas où la divergence de régulation transcriptionnelle joue un rôle important, un rôle mineur ou aucun rôle dans la divergence des interactions protéine-protéine. La méthode développée peut être transposée à grande échelle, ce qui pourrait faire de la lumière sur l’importance de la régulation transcriptionnelle durant l’évolution.
Evolution by gene duplication is considered one of the most important mechanisms of evolutionary innovation. What is less known and highly debated is the relative role of the divergence of transcriptional regulation and the divergence of protein coding sequence in the evolution of molecular networks. We developed a method aimed at evaluating the role of transcriptional regulation in the divergence of protein-protein interactions among duplicated genes in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Our results demonstrate that our approach can be used effectively to test if divergence of protein-protein interaction profiles can be explained by the divergence of transcriptional regulation or the divergence of coding sequences. We found evidence supporting different scenarios, whereby expression regulation has a large effect, no effect or little effect on protein-protein interaction profiles of paralogous proteins. Our method can be brought to large scale and help elucidate the importance of gene transcriptional regulation in evolution of complex cellular networks.

Ce mémoire porte sur l'analyse bioinformatique des mécanismes impliqués dans la régulation de l'expression des gènes, phénomène ubiquitaire chez les êtres vivants, notamment à l'origine de la différenciation cellulaire. L'exploitation des jeux de données génomiques à haut débit a motivé la mise au point d'algorithmes et de méthodes spécifiques. Ces approches ont conduit au développement d'outils et de bases de données, notamment le logiciel BZScan pour la quantification des images de puces à ADN, la base de données ATD répertoriant les sites de polydénylation dans les génomes de l'homme et de la souris, la suite logicielle TranscriptomeBrowser intégrant une base de données de signatures transcriptionnelles, ainsi que le logiciel de modélisation et de simulation logique GINsim. Notre approche de programmation modulaire a en outre permis le développement de communicationes performantes entre ces différents outils
This thesis report is about bioinformatic analysis of mechanisms involved in regulation of gene expression, an ubiquitous phenomenon in all life froms, notably at the root of cellular differenciation. The use of genomic large scale datasets motivated the creation of specific algorithms and methods. These approaches led to the development of tools and databases, namely the software BZScan for the quantification of DNA microarray images, the ATD database listing polyadenylation sites in human and mouse genomes, the sofware package TranscriptomeBrowser containing a transcriptional signatures database, and the logical simultaion and modellind software signatures database, and the logical simulation and modelling software GINsim. A modular programming approach allowed us to develop efficient communication between these different tools

Face à un environnement changeant, la cellule a dû développer des systèmes de régulation lui permettant de s’adapter et d’assurer son développement et sa survie. Ces systèmes de régulation s’organisent autour de réseaux de régulation transcriptionnelle permettant l’expression des gènes codant pour les protéines dont la cellule a besoin. Dans la plupart des réseaux trancriptionnels, la régulation de la transcription des gènes est « raffinée » par la présence de circuits de rétroaction positifs et négatifs à l’origine de deux types de comportements différents: la multistabilité d’une part, et les comportements homéostatiques ou oscillants d’autre part. Deux réseaux de régulation transcriptionnelle de complexité différente ont été étudiés au cours de cette thèse :le réseau p53-Mdm2 impliqué dans l'arrêt de la croissance cellulaire, la réparation de l’ADN et l’apoptose chez les mammifères, et le réseau de facteurs transcriptionnels GATA impliqué dans la régulation du catabolisme de l’azote chez la levure Saccharomyces cerevisiae. L’analyse théorique du réseau p53-Mdm2 a eu pour principal objectif de reproduire et d’interpréter les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant la réponse oscillante de la p53 lorsque l’ADN de la cellule est endommagé. L’analyse théorique des comportements du réseau GATA, quant à elle, a été couplée à une étude expérimentale dans les milieux de qualité intermédiaire en azote peu investigués jusqu’à présent. Pour analyser les propriétés dynamiques de ces deux réseaux, plusieurs approches complémentaires, se situant à différents niveaux de description, ont été utilisées: l’approche logique, différentielle et stochastique.

La première partie de cette thèse a été consacrée à l’étude du réseau p53-Mdm2 pour lequel nous avons développé un modèle simple composé d’un circuit de rétroaction positif imbriqué dans un circuit de rétroaction négatif. Les résultats de notre analyse logique montrent que les principales propriétés dynamiques du réseau peuvent être résumées par un petit nombre de diagrammes de bifurcation logique. Ces scénarios de bifurcations diffèrent par la séquence d’activation du circuit positif et négatif composant le réseau et dépendent d’une part de l’affinité de la p53 pour ses gènes cibles et d’autre part de son activité transcriptionnelle. Nous proposons que différents stress et types cellulaires pourraient correspondre à différents scénarios de bifurcation et donc conduire à des réponses différentes après irradiation. Cette première analyse qualitative nous a permis de rendre compte de différents aspects de la dynamique du réseau observés expérimentalement, tels que le changement de fréquence des oscillations en cours de réponse, les oscillations de longue durée de la p53 ou l’amortissement rapide des oscillations à l’échelle d’une population de cellules. Pour nous affranchir des fortes non-linéarités inhérentes au traitement logique, nous avons ensuite traduit le modèle logique en un modèle différentiel et montré que les principaux comportements présentés par le modèle logique sont conservés, suggérant que la structure du réseau détermine dans une large mesure les principales potentialités dynamiques du système. L’analyse des propriétés de bifurcation du modèle différentiel en fonction du niveau de dommage à l’ADN nous a également permis de mettre en évidence la présence de deux régimes oscillants d’amplitude, de valeur moyenne et de fréquence nettement différentes, séparés par une zone de bicyclicité où ces deux régimes coexistent. Cette propriété permet d’expliquer l’existence des deux fréquences d’oscillation différentes qui ont été observées expérimentalement en fonction de la dose d’irradiation. Enfin l’analyse stochastique de notre modèle nous a, en particulier, permis de rendre compte de l’augmentation du nombre de cellules oscillant à des fréquences élevées lorsque la dose d’irradiation augmente, observée expérimentalement.

La deuxième partie de notre thèse a été consacrée à l’étude du réseau de facteurs GATA chez la levure S.cerevisiae. Ce réseau, constitué des activateurs Gln3 et Nil1 et des répresseurs Dal80 et Gzf3, comporte plusieurs circuits de rétroaction positifs et négatifs interconnectés. Dans le but d’aider à comprendre le rôle et le fonctionnement du réseau GATA, nous avons effectué une analyse théorique et expérimentale de son comportement dynamique en fonction de la qualité de la source azotée. L’analyse différentielle montre la possibilité d’un comportement bistable dans les milieux de qualité intermédiaire en azote et d’oscillations amorties suite à un transfert nutritionnel d’une condition azotée à une autre, lorsque l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 est synergique ou lorsque le gène Gln3 est supprimé. Gzf3 serait le répresseur clef impliqué dans la bistabilité tandis que Dal80 serait le répresseur clef impliqué dans les comportements oscillants. L’analyse stochastique nous a permis d’étudier l’effet des fluctuations moléculaires sur ces comportements et les distributions de variables importantes du système dans une population de cellules. Pour le modèle synergique de la souche sauvage et celui du mutant gln3°, elle a montré l’existence, dans des milieux de qualité intermédiaire en azote, de deux populations de cellules qui coexistent :une population où l’expression de Dal80 est réprimée, une autre où son expression est activée. Enfin, l’étude de la dynamique du couplage entre la protéine fluorescente Gfp, sous le contrôle du promoteur de DAL80, et le réseau GATA montre que, pour des ordres de grandeur physiologique de la vitesse de disparition de la Gfp, la bimodalité présente au niveau du réseau GATA devrait se refléter au niveau de la Gfp.

Les comportements bistables et oscillants mis en évidence dans notre étude théorique du réseau GATA ont ensuite été testés expérimentalement en suivant la Gfp sous le contrôle du promoteur de DAL80 en fonction de la concentration de la source azotée glutamine. Cette étude expérimentale nous a permis de mettre en évidence l’existence d’oscillations amorties de la fluorescence de la protéine de fusion Dal80-Gfp. De telles oscillations cependant n’ont pas été observées dans les expériences réalisées sur les autres souches testées pour lesquelles le gène de la Gfp est fusionné au promoteur de DAL80. Notre étude expérimentale montre également l’existence, chez la souche sauvage, d’une population unique de cellules fluorescentes quelle que soit la concentration du milieu extérieur en glutamine testé (0.2mM à 10mM). Un modèle additif où l’activation des gènes du réseau par Gln3 et Nil1 n’est pas synergique serait donc en meilleur accord avec nos observations. Chez les souches où le facteur Gln3 est inactivé, par contre, deux populations cellulaires, l’une de forte fluorescence et constituée de cellules de grande taille, l’autre de plus faible fluorescence et constituée de cellules de taille plus petite, coexistent pour des concentrations intermédiaires du milieu extérieur en glutamine. La forte corrélation observée entre la taille et la fluorescence des cellules suggère que le comportement bimodal observé au niveau de la fluorescence est lié au comportement bimodal observé au niveau de la taille. Enfin, un modèle phénoménologique de la croissance cellulaire nous a permis de reproduire l’existence de deux populations cellulaires de taille distincte.

Doctorat en Sciences
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Le patron musculaire qui se met en place au cours du développement embryonnaire permet l'ensemble des mouvements coordonnés propres à chaque espèce animale. Un muscle est formé de fibres musculaires issues de la fusion et de la différenciation de cellules immatures, les myoblastes, un processus appelé myogenèse. Chaque muscle du corps joue un rôle unique, conféré par une "identité" propre: position, forme, taille, sites d'attachement au squelette et innervation. Si le contrôle transcriptionnel de la myogenèse commence à être bien compris, les mécanismes conférant à chaque muscle son identité restent largement inconnus. La majorité de nos connaissances actuelles proviennent d'études réalisées sur la formation des muscles dans l'embryon d'un organisme modèle, la drosophile. L'hypothèse admise est que l'identité musculaire reflète l'expression d'une combinatoire spécifique de facteurs de transcription (FT) dans chaque myoblaste "fondateur" d'un muscle. Notre laboratoire a précédemment montré que le facteur de transcription Collier apparenté aux EBF (Early-B Cell Factor) humains, est exprimé dans un unique myoblaste fondateur, à l'origine d'un des 30 muscles présents dans chaque segment de l'embryon, le muscle DA3, faisant de ce muscle un modèle d'étude de l'identité musculaire. Au cours de ma thèse j'ai contribué à montrer que la formation du muscle DA3 dépend de l'activité combinée de Collier et Nautilus, protéine b-HLH de drosophile apparentée aux facteurs myogéniques mammifères, Myo-D, Myf-5, Myogenin et MRF4. L'analyse de mutants perte-de-fonction nautilus et collier m'a permis de montrer que chacun de ces gènes contrôlent des propriétés différentes du muscle DA3. La mise en évidence d'une régulation croisée entre ces deux gènes montre en outre une expression coordonnée dans le myoblaste fondateur à l'origine du muscle DA3. Ces travaux sur le muscle DA3 sont la première confirmation du contrôle de l'identité musculaire par des combinaisons de facteurs de transcription exprimés dans le myoblaste fondateur, une hypothèse émise il y a presque 20 ans. Dans une deuxième étape, j'ai abordé le rôle des gènes homéotiques (Hox) dans le contrôle de la diversité des muscles le long de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. .
The complex muscle patterns laid during development of complex animals allow coordinated, stereotyped movements such as those we all make during our daily life. Each muscle develops through the fusion and differentiation of myoblasts to form syncitial myofibres. Myofibres then connect to the skeleton via specific tendon cells. Once formed, each muscle of the body can be uniquely identified by its position, shape, size and skeletal attachments, properties grouped under the term "identity". While the transcriptional control of myogenesis has been extensively studied, the control of muscle identity remains largely unknown. Most of our present knowledge comes from studies on the Drosophila embryonic musculature, where it has been proposed that muscle identity was reflecting the expression of specific combinations of Transcription Factors (TF) in muscle founder myoblasts. Several years ago, our laboratory showed that the TF Collier (Col), the Drosophila ortholog of mammalian Early-B Cell Factor (EBF), was expressed and required in a single somatic muscle, the DA3 (Dorsal Acute 3) muscle, making this muscle a paradigm for investigating the genetic and cellular bases of muscle identity. During the first part of my thesis work, I contributed to show that formation of the DA3 muscle was dependent upon the combinatorial activity of Col and another muscle identity TF, Nautilus/D-MyoD. D-MyoD is the single Drosophila ortholog of the MyoD family of vertebrate b-HLH muscle regulatory factors (MRFs), Myo-D, Myf-5, Myogenin and MRF4. My results showing that D-MyoD and Col each control specific properties of the DA3 muscle represent a first experimental confirmation of the combinatorial control of muscle identity by TFs expressed in founder myoblasts, an hypothesis formulated almost 20 years ago. .

Candida glabrata est à la fois un commensal de l’homme et une levure pathogène dont la prévalence est en train d’exploser. Elle est souvent cause d’infections systémiques mortelles, notamment en raison de ses aptitudes à résister aux azoles, limiter sa détection par le système immunitaire et facilement coloniser l’hôte humain. Par ailleurs, elle possède une incroyable capacité à s’adapter et résister aux conditions de croissance défavorables. Cependant, on ne sait que très peu de choses sur les capacités d’adaptation de C. glabrata et les régulations qui les sous-tendent. Ce constat a mené à la création du projet Candihub, qui a pour but de décrire les mécanismes permettant à ce champignon de survivre et prospérer en tant que pathogène de l’homme. Candihub se focalise sur les réseaux de régulations transcriptionnelles favorisant la forte résistance au stress de Candida glabrata. Mon projet de thèse s’est déroulé dans le cadre de Candihub. J’ai étudié les réseaux de régulation associés à plusieurs facteurs de transcription. Ces facteurs ont été spécialement choisis en raison de leurs rôles clés dans le contrôle de diverses réponses au stress, telles que la carence en fer, l’excès de fer, stress oxydatif, stress osmotique... Dans ce but, j’ai réalisé des expériences haut-débit de transcriptomique (puces à ADN) et génomique (ChIP-seq). Cela a mené à la construction d’un vaste réseau d’interactions. Je me suis ensuite concentré sur des sous-ensembles de ce réseau. La première partie a abordé le rôle du CCAAT-Binding Complex dans la respiration et l’homéostasie du fer. Le CBC est très conservé parmi les champignons. Dans S. cerevisiae, il contrôle la respiration cellulaire tandis que dans les champignons pathogènes tels que C. albicans, il gère l’homéostasie du fer. Nous avons montré que le CBC a un double rôle dans C. glabrata : il interagit avec la sous-unité régulatrice Hap4 pour contrôler la respiration et il collabore avec Yap5 pour réguler l’homéostasie du fer. La deuxième partie est fondée sur l’utilisation de la transcriptomique comparative pour découvrir de nouvelles propriétés de la réponse à la carence en fer de C. glabrata. Nous avons démontré l’importance d’Aft2 dans la réponse à la carence en fer et identifié le réseau de régulation d’Aft2. Cela a révélé le rôle de gènes normalement impliqués dans le sauvetage des ribosomes dans la voie du No Go Decay, ce qui suggère l’existence d’un lien entre l’homéostasie du fer et le NGD
Candida glabrata is simultaneously a commensal of human gut and a pathogenic yeast with an increasing prevalence. It is often associated with fatal bloodstream infections, notably because of its ability to resist azole treatments, evade the immune system and easily colonize the human host. Also, it displays incredible abilities to adapt and resist adverse growth conditions. However, little is known about C. glabrata capacities to adapt and the underlying regulations. This assessment led to the implementation of the Candihub project. It aims to describe the mechanisms that allow C. glabrata to survive and thrive as a pathogen and has a focus on the transcriptional regulatory networks promoting the yeast strong resistance to stress. My PhD project was undertaken within the framework of Candihub. I tried to unravel the regulation networks associated to several transcription factors. These factors were chosen because of their key roles in controlling an array of stress responses : iron deprivation, iron excess, oxidative stress, osmotic stress... To achieve that goal, I performed high-throughput transcriptomic (microarrays) and genomic (ChIP -seq) analyses. This led to the construction of a wide network of interactions. Afterwards, I focused on smaller subparts of this network. The first part tackled the role of the CCAAT-Binding Complex in respiration and iron homeostasis. The CBC is very conserved across the fungi. In S. cerevisiae, it controls cellular respiration, while in pathogenic fungi such as C. albicans, it controls the iron homeostasis. We showed that the CBC has a dual role in C. glabrata : it interacts with the regulatory subunit Hap4 to control respiration and it collaborates with Yap5 to act on iron homeostasis. The second part was based on the use of comparative transcriptomics to uncover unknown features of the iron starvation response of C. glabrata. We demonstrated the significance of Aft2 in response to iron starvation and we identified the regulatory network of Aft2. This revealed the involvement of genes responsible for ribosome rescue in the No GO Decay pathway, thus suggesting a link between iron homeostasis and the NGD

Les cellules vivantes peuvent être considérées comme des systèmes dynamiques. Ses propriétés dynamiques sont essentiellement régulées par des réseaux génétiques. Ce travail de thèse est motivé par l’existence de comportements dynamiques récurrents des réseaux génétiques tels que les oscillations, et s’articule autour de trois études. La première étude concerne le rôle des délais qui sont des ingrédients clés des oscillations. Dans la modélisation déterministe, le délai est modélisé comme délai explicite ou délai réactionnel. En étudiant un réseau génétique comprenant un gène auto-réprimé qui contient divers délais, nos résultats montrent analytiquement le principe de combinaison des divers délais et les influences différentes des délais explicites et réactionnels sur les oscillations. La seconde étude s’intéresse à l’impact des fluctuations moléculaires. Nous proposons un développement de cumulants de l’équation maîtresse et l’appliquons au circuit de gène auto-réprimé. Nous trouvons que les fluctuations modifient significativement les moyennes des quantités moléculaires prévues par les modèles déterministes, et induisent les oscillations. La troisième étude concerne les effets dynamiques de la pause des RNA Polymérases sur la transcription qui est modélisée par le modèle TASEP. Pour des durées des pauses intermédiaires et longues pour lesquelles l’approche de champ moyen n’est pas validée, nous parvenons néanmoins à une bonne compréhension des différents mécanismes qui contrôlent la dynamique de transcription et obtenons une description quantitative du taux de transcription en bon accord avec les simulations numériques
Living cells can be viewed as dynamical systems and cellular dynamical properties essentially reply on genetic networks. This thesis work is motivated by one striking dynamical behavior of genetic networks, oscillation, and mainly includes three studies. The first study is about the delay that is one of key ingredients of biological oscillation. In mathematical modeling, delay is usually modeled as explicit delay or reaction delay. By studying a minimal genetic network, a self-repressing gene involving various delays, our analytical results reveal the combination principle of various delays and different dynamical influences of explicit and reaction delays on oscillations. The second study is to investigate the dynamical influences of molecular fluctuations on the oscillatory behavior. We develop a cumulant expansion of the master equation and apply it to the self-repressing gene circuit. We find that fluctuations shift significantly the averages of molecular quantities predicted by deterministic models and induce oscillations. In the third study, we investigate the dynamical effects of RNA Polymerase pausing on transcription in using TASEP model. In the limit case where pause duration is short, we can still construct a mean-field model to analyze the transcription rate and site occupation. In the general case where mean-field approach no long applies, we obtain a good understanding of various mechanisms driving the transcription dynamics over the entire range of pause duration, and in particular a theoretical prediction of transcription rate that agrees well with numerical simulations is given

Cette thèse regroupe plusieurs études concernant certains aspects du développement et de la différenciation cellulaire. Une première partie présente un algorithme bioinformatique que nous avons développé au cours de la thèse, permettant d'étudier les séquences du génome responsables de l'expression spécifique des gènes dans les différents tissus d'un organisme. L'algorithme extrait les éléments essentiels et une partie de la syntaxe des séquences cis -régulatrices. Nous exposons une application à la spécification des précurseurs des soies sensorielles de Drosophila melanogaster. Une deuxième partie consiste en l'étude théorique de la structure des réseaux d'interactions entre gènes et protéines conduisant à la spécification des destinées cellulaires. Nous utilisons une méthode d'évolution in silico pour construire des réseaux génétiques, nécessitant ou non la communication cellulaire, capable d'imiter la différenciation cellulaire. Les phénomènes sous-jacents sont responsables de l'établissement et de la maintenance des fonctions spécialisées des cellules. Enfin, dans une troisième partie, nous proposons un modèle de régulation mécanique de la croissance, susceptible d'expliquer plusieurs observations étonnantes de la formation des organes. En particulier, nous modélisons la prolifération des cellules formant les ailes de Drosophila melanogaster et proposons un mécanisme d'uniformisation du taux de croissance des tissus
This thesis presents a series of works dealing with some aspects of development and cellular differentiation. The first part exposes a bioinformatics algorithm, that we have developed, allowing to study the sequences from the genome responsible for the specific expression of genes in the various tissues constituting an organism. It aims at extracting the key components and some syntax of the cis-regulatory sequences. We present its application to the specification of sensory organ precursors in Drosophila melanogaster. A second part consists in the theoretical study of the structure of the networks of interactions between genes and proteins leading to cell fate specification. We have used a method of evolution in silico, to build genetic networks, needing or not cell-cell communication, mimicking cell differentiation. The underlying phenomena are responsible for the settlement and maintenance of the specialized functions of cells. Finally, in a third part, we propose a model of mechanical control of growth, likely to explain several surprising observation in the formation of organs. In particular, we have modeled the proliferation of cells constituting the Drosophila melanogaster wings and propose a mechanism which make the tissue growth rate uniform

La biologie est un domaine scientifique qui reste encore très incomplet au sens où la somme de connaissances qu'il nous reste à découvrir est non négligeable. Il est fréquent que les techniques de laboratoire traditionnelles soient inadaptées à la complexité du problème traité. Une raison possible à cela est que leur mise en œuvre requiert souvent beaucoup de temps et/ou de moyens financiers. Par ailleurs, certaines d'entre elles produisent des résultats peu fiables ou à trop faible débit. C'est pourquoi ces techniques peinent parfois à apporter des réponses aux nombreuses questions biologiques non résolues. En parallèle, l'évolution des biotechnologies a permis de produire massivement des données biologiques. Les expériences biologiques à haut débit permettent à présent de caractériser des cellules à l'échelle du génome et sont porteuses d'espoir pour la compréhension de phénomènes biologiques complexes. Ces deux faits combinés ont induit un besoin croissant de mathématiciens et de statisticiens en biologie. La tâche des bioinformaticiens est non seulement d'analyzer efficacement les masses de données produites par les expériences à haut débit et d'en extraire une information fiable mais aussi d'élaborer des modèles de systèmes biologiques menant à des prédictions utiles. L'inférence de réseaux de régulation et la recherche de gènes de maladie sont deux exemples parmi d'autres, de problèmes où une expertise bioinformatique peut s'avérer nécessaire. L'inférence de réseaux de régulation consiste à identifier les relations de régulation transcriptionnelle entre des gènes régulateurs appelés facteurs de transcription et des gènes cibles. Par ailleurs, la recherche de gènes de maladie consiste à déterminer les gènes dont les mutations mènent au développement d'une maladie génétiquement transmise. Dans les deux cas, les biologistes sont confrontés à des listes de milliers de gènes à tester. Le défi du bioinformaticien est donc de produire une liste de priorité où les interactions ou gènes candidats sont rangés par ordre de pertinence au problème traité, en vue d'une validation expérimentale. Les deux problèmes mentionnés plus haut partagent une caractéristique commune : ce sont tous les deux des problèmes de priorisation pour lesquels un petit nombre d'exemples positifs est disponible (des interactions connues ou gènes de maladie déjà identifiés) mais pour lesquels on ne dispose pas de données négatives. En effet, les bases de données biologiques ne reportent que rarement les paires de gènes non interactives. De même, il est difficile voire impossible de déterminer à coup sûr qu'un gène n'est pas impliqué dans le développement d'une maladie. Par ailleurs, des nombreux exemples indéterminés existent qui sont par exemple des gènes dont on ne sait pas si ils interagissent avec un facteur de transcription ou encore des gènes dont on ne sait pas s'ils sont causaux pour une maladie. Le problème de l'apprentissage à partir d'exemples positifs et indéterminés (PU learning en anglais) a été étudié en soi dans le domaine de l'apprentissage automatique (machine learning). L'objet de cette thèse est l'étude de méthodes de PU learning et leur application à des problèmes biologiques. Le premier chapitre présente le bagging SVM, un nouvel algorithme de PU learning et évalue ses performances et propriétés sur un jeu de données standard. L'idée principale de cet algorithme est d'exploiter au moyen d'une procédure voisine du bagging, une caractéristique intrinsèque d'un problème de PU learning qui est que l'ensemble des exemples indéterminés contient des positifs cachés. Le bagging SVM atteint des performances comparables à l'état de l'art tout en faisant preuve de bonnes propriétés en termes de rapidité et d'échelle par rapport au nombre d'exemples. Le deuxième chapitre est consacré à SIRENE, une nouvelle méthode supervisée pour l'inférence de réseaux de régulation. SIRENE est un algorithme conceptuellement simple qui donne de bons résultats en comparaison à des méthodes existantes pour l'inférence de réseaux. Enfin, le troisième chapitre décrit ProDiGe, un algorithme pour la priorisation de gènes de maladie à partir d'exemples positifs et indéterminés. Cet algorithme, issu du bagging SVM, peut gérer la recherche de gènes de maladies à l'échelle du génome et permet d'intégrer plusieurs sources de données. Sa capacité à retrouver correctement des gènes de maladie a été démontrée sur un jeu de données réel.

Les facteurs de transcription (FT) COE (Col-EBF) sont conservés chez les métazoaires et participent au contrôle de divers processus biologiques : hématopoïèse, neurogenèse, myogenèse. Leur dérégulation entraîne de graves dysfonctionnements chez les mammifères (défauts de spécification des lymphocytes B, de sous-types neuronaux. . . ). Cependant les gènes cibles régulés par les FT COE restent majoritairement inconnus. Notre équipe utilise la drosophile comme système modèle pour étudier la spécificité d'action des FT COE selon le contexte cellulaire. Mon travail de thèse est centré sur l'identification de gènes cibles directement régulés par Collier (Col) et la caractérisation des modules cis-régulateurs associés. J'ai identifié un ensemble de gènes cibles de Col par des expériences d'immuno-précipitation de la chromatine (ChIP-SEQ). Cette analyse m'a permis d'identifier le motif ADN sélectivement reconnu par Col in vivo, et de montrer que cette reconnaissance est contextuelle. Plusieurs gènes cibles ont été validés par des expériences d'hybridation in situ et d'analyse fonctionnelle de leurs CRM, parmi lesquels une majorité d'autres FTs. L'ensemble des résultats révèle une complexité inattendue des réseaux de régulation transcriptionnelle contrôlant l'identité musculaire chez la drosophile et confirme que Col est un acteur majeur de différents réseaux dans différents tissus embryonnaires. Au vu de la conservation des FTs COE au cours de l'évolution, les conclusions de cette étude modèle chez la drosophile apportent un éclairage nouveau sur les études en cours sur des modèles mammifères
The COE (Collier/Early B cell Factor) family is a metazoan-specific family of transcription factors (TF) that are involved in the control of numerous biological processes, including hematopoiesis, neurogenesis and muscle identity. Mutant analysis of COE TFs across several organisms showed defects in the specification of different cell types, like neuron subtypes or, in mammalians, B lymphocytes and brown adipocytes. However, the COE target genes are mostly unknown. Drosophila (fruit fly) is an excellent model to study the functional diversity of COE TFs. The core of my PhD work was the identification of Collier direct target genes in the DA3 muscle lineage, and the characterization of the corresponding CRM to better understand how COE proteins activate specific target genes in a tissue-dependent manner. I performed chromatin immuno-precipitation on whole embryos followed by systematic sequencing of the immuno-precipitated fragments (ChIPseq). By bio-informatics, I identified Col in vivo binding motif and showed that Col binding in vivo is context-dependent. Several candidate genes were validated by in situ hybridizations and functional analysis of the Col binding CRM. TF are over-represented among these targets. All together, the results reveal an unexpected complexity of gene regulatory networks that control muscle identity in Drosophila and confirm the critical role for Col in several transcription regulatory networks in the embryo. Considering the evolutionary conservation of COE proteins and their in vivo DNA binding properties, these results bring new insight into the complexity of COE function in other organisms, including mammals

La réponse cellulaire aux dommages de l'ADN provoqués par l'irradiation (IR) est relativement bien étudiée mais de nombreuses observations montrent l'implication de l'expression de nombreux gènes. Nous souhaitons identifier les différentes formes de la réponse transcriptionnelle à l'IR et reconstruire un réseau de régulation génique impliqué dans son contrôle. La problématique réside dans l'exploitation de dynamiques d'expression de gènes dans des conditions de perturbations génétiques et dans l'intégration d'informations biologiques systémiques. Nous définissons une approche constituée d'une étape automatisée de déduction de régulations à partir de perturbations et de deux étapes d'induction qui permettent d'analyser la dynamique d'expression des gènes et d'extraire des régulations des données additionnelles. Cela nous a permis d'identifier, chez la levure, une réponse complexe à l'IR et de proposer un modèle de régulation dont certaines relations ont été validées expérimentalement.

La réponse cellulaire aux dommages de l'ADN provoqués par l'irradiation (IR) est relativement bien étudiée mais de nombreuses observations montrent l'implication de l'expression de nombreux gènes. Nous souhaitons identifier les différentes formes de la réponse transcriptionnelle à l'IR et reconstruire un réseau de régulation génique impliqué dans son contrôle. La problématique réside dans l'exploitation de dynamiques d'expression de gènes dans des conditions de perturbations génétiques et dans l'intégration d'informations biologiques systémiques. Nous définissons une approche constituée d'une étape automatisée de déduction de régulations à partir de perturbations et de deux étapes d'induction qui permettent d'analyser la dynamique d'expression des gènes et d'extraire des régulations des données additionnelles. Cela nous a permis d'identifier, chez la levure, une réponse complexe à l'IR et de proposer un modèle de régulation dont certaines relations ont été validées expérimentalement
The cellular response to the DNA damage provoked by irradiation (IR) is relatively well studied, however, many observations show the involvement of the expression of many genes. We propose to identify the different potential patterns of the transcriptional response to IR and to reconstruct a gene regulatory network involved in its control. The first point of this work lies in the exploitation of the gene expression dynamics in conditions of genetic perturbations. The second point lies in the integration of systemic biological informations. We define an approach composed of one step of automated logical deduction of regulations from a strategy of perturbations and two induction steps that allow the analysis of the gene expression dynamics and the extraction of potential regulation from additional data. This approach allowed to identify, for the yeast, a complex response to IR and allowed to propose a regulation model which some relations have been experimentally validated

Les gènes situés sur la molécule d'ADN au coeur de nos cellules nonseulement portent une information héréditaire, mais de plusparticipent dynamiquement au fonctionnement de la cellule ensynthétisant plus ou moins activement des protéines. Ces dernièressont susceptibles de nombreuses interactions non linéaires avecd'autres acteurs, menant à la formation de réseaux biochimiques quipeuvent présenter des comportements dynamiques divers et complexes. Enparticulier, la régulation de l'activité des gènes (leur taux detranscription) par des protéines spécifiques peut aboutir à laformation de boucle de rétroaction. Ces boucles tissent des réseauxgénétiques où un ensemble de gènes régulent réciproquement leursexpressions.Des travaux expérimentaux récents ont montré que la régulation del'activité du gène n'est pas toujours instantanée. Nous avons alorsétudié l'influence d'une dynamique transcriptionnelle intrinsèque dansun circuit simple constitué d'un gène réprimé par sa propre protéine.Nous obtenons un critère analytique pour l'apparition desoscillations, qui nous permet de montrer que ces dernières sontfavorisées lorsque le temps de réponse du gène prend une certainevaleur. L'échelle de temps ainsi repérée est pertinente à la fois dansune description déterministe et dans une description stochastique.Ce sont également des réseaux génétiques qui sont à l'origine decertains rythmes biologiques, induisant les oscillations del'expression de protéines clés. Ces réseaux sont alors des horlogesendogènes qui permettent à de nombreux êtres vivants d'anticiper lesmodifications cycliques de l'environnement. Parmi celles-ci, l'horlogecircadienne permet à l'organisme de s'adapter au cycle diurnal enétant entraîné par l'alternance du jour et de la nuit. À partir de données expérimentales, nous avons modélisé l'horlogecircadienne de l'algue unicellulaire Ostreococcus tauri. Lemodèle est basé sur une boucle de rétroaction transcriptionnellenégative impliquant deux gènes se régulant mutuellement. L'accordentre le modèle et les données expérimentales est excellent et met enévidence une absence de signature du couplage dans les données lorsquel'horloge est à l'heure, ce qui révèle une propriété de robustesse aux fluctuations d'éclairement
Genes located on the DNA macromolecule inside our cells do not onlycarry hereditary information. They also contribute dynamically tobiological functions by synthesizing proteins at a variable rate.Proteins are subject to many nonlinear interactions with other actors,forming vast biochemical networks which may display a number ofcomplex behaviors. In particular, regulation of gene activity (i.e.,of their transcription rate) by specific proteins creates feedbackloops. These loops form genetic networks where a set of genes regulatetheir expressions reciprocally. Recent experimental studies have shown that gene regulation is notalways instantaneous. We have thus studied the influence of anintrinsic transcriptional dynamics in the simple circuit where a geneis repressed by its own protein. We have obtained an analyticalcriterion for the appearance of oscillations, which allows us to showthat oscillations are favored when gene response time is close to acharacteristic value. The time scale thus identified is relevant bothin a deterministic and a stochastic description. Gene regulatory networks are also at work in some biological rhythms,inducing oscillations in the concentrations of some key proteins.These networks then serve as endogeneous clocks, which allow manyliving organisms to anticipate periodic changes in the environment. Inparticular, the circadian clock is used by organisms to adapt to thediurnal cycle by being entrained by the day/night cycle. Using experimental data, we have constructed a mathematical model ofthe circadian clock of the unicellular alga Ostreococcus tauri.This model is based on a transcriptional negative feedback loop, whichinvolves two genes regulating each other. Agreement between numericalsimulations and experimental data is excellent and unveils the factthat there is no signature of coupling in data when the clock is ontime. This reveals a strong robustness to daylight fluctuations

Les cellules souches embryonnaires (cellules ES) ont la capacité unique de se diviser indéfiniment et de pouvoir se différencier en de multiples types cellulaires. Elles apparaissent donc très prometteuses comme agents thérapeutiques dans les traitements médicaux du futur. Un enjeu majeur de la recherche actuelle consiste à comprendre la contribution des protéines régulatrices de la chromatine à la plasticité et au contrôle de l'expression du génome des cellules. La famille des remodeleurs Chd, qui fait partie de la super famille SNF2, comprend neuf membres, soit le tiers des remodeleurs exprimés dans les cellules ES murines. L'objectif principal de ce projet de thèse a consisté à identifier de manière exhaustive les gènes cibles de chaque facteur pour comprendre comment ils participent à la régulation du génome et se partagent le remodelage de la chromatine. Nous avons entrepris un projet à grande échelle dans lequel chaque gène codant chaque Chd a été fusionné, à son extrémité carboxy-terminale, à une séquence codant une étiquette, par recombinaison homologue en cellules ES. Les cellules ES étiquetées ont ensuite été utilisées pour des expériences d'immunoprécipitation de chromatine (ChIP-seq). La présence de l'étiquette a permis de standardiser et d'optimiser les méthodes d'immunoprécipitation des protéines. Les fragments d'ADN isolés ont ensuite été séquencés dans le laboratoire d'Ivo Gut (CEA/CNG -Evry- et CNAG -Barcelone-). Nous avons également analysé les transcriptomes des cellules ES où la déplétion de chaque protéine Chd a été réalisée, par hybridation sur puce et RNA-seq. Ces données ont permis de montrer le rôle de NuRD (Chd4, Hdac2) au sein des réseaux de la régulation transcriptionnelle des ES. Les données obtenues pour les facteurs Chd1, Chd8 et Chd4 montrent des rôles différents mais interconnectés pour chaque protéine. Enfin, ces données nous ont permis de proposer des hypothèses pour expliquer comment ces protéines contribuent à la régulation du génome.

La nouvelle peroxydase (POX1B) extraite de l‘Ail possède des propriétés biochimiques intéressantes par comparaison à HRP. En effet, elle est hautement active à pH acide et stable vis-à-vis de la température et de la conservation. Elle présente un pH optimum d‘environ 5 et une température optimale de 30°C. L‘enzyme conserve 70 % de son activité initiale à 60°C et une activité totale à 50 et 40°C après 40 min. Par la suite, l‘étude de la relation structure-fonction a été réalisée en analysant les propriétés spectroscopiques ainsi que leur corrélation à la structure déterminée par une nouvelle génération de spectromètre de masse hybride à haute performance. Les études de la structure chimique ont montré que le groupement héminique de cette protéine est pentacoordiné et renferme une histidine comme ligand proximal. POX1B sous forme native et reconstituée a montré une haute affinité vis-à-vis du peroxyde d‘hydrogène ainsi que vis-à-vis d‘une variété de co-substrats réducteurs. En plus, une haute spécificité de l‘enzyme a été démontrée. Les valeurs de kcat/KM sont 413. 28, 403. 81 mM-1s-1 respectivement pour le TMB et l‘ABTS. Par ailleurs, la réduction des composés nitrés en présence de POX1B a été démontrée par la formation de complexes Fe(II)-nitrosoalcanes. POX1B présente un grand potentiel d‘application pour le métabolisme des médicaments puisqu‘elle est capable de réagir avec le 1-nitrohexane en présence du dithionite de sodium comme ça a été démontré par l‘apparition d‘une bande de Soret caractéristique à 411 nm. En plus, l‘efficacité catalytique de la nouvelle peroxydase extraite de l‘Ail pourrait être exploitée pour la détection d‘une variété d‘analytes et en biocatalyse. L‘enzyme possède un bon potentiel d‘application en tant que biorécepteur pour la détection électrochimique du peroxyde d‘hydrogène et des polluants. L‘immobilisation de l‘enzyme a été réalisée en utilisant le chitosane comme biopolymère. Les essais électrochimiques ont montré que le biocapteur est capable de mesurer une concentration de H2O2 allant jusqu‘à 100 nM en mode de détection directe. La limite de détection mesurée dans des échantillons de lait a été de 30 μM avec un temps de réponse inférieur à 1 min. Par la suite, l‘activité électro-catalytique d‘un second biocapteur à base de POX1B a été démontrée en présence de dérivés de chlorophénols avec des concentrations variant entre 10 pM et 10 μM. Le biocapteur construit avec POX1B et sans utilisation d‘un médiateur a présenté une bonne sensibilité en présence du 2,6-dichlorophénol, du 4-chlorophénol et du pentachlorophénol. Une limite de détection de l‘ordre de 1 pM a été mesurée dans le cas du 4-chlorophénol avec une constante cinétique Km,app de 0. 42 μM et un de réponse électrochimique rapide de l‘ordre d‘1 s
A new peroxidase was purified from garlic bulbs (POX1B) with interesting biochemical properties compared to HRP. In fact, POX1B is highly active at acidic pH and stable vs. Temperature and storage. The optimal pH was around 5 and the optimal temperature was 30°C. Studies of the heat-stability demonstrated that almost 70 % of the initial activity was conserved at 60°C and full activity was retained at 50 and 40°C for 40 min. Then, the structure-function relationship was investigated by analysis of the spectroscopic properties and correlated to the structure determined by a new generation of high performance hybrid mass spectrometer. Studies of the chemical structure showed that the heme group of this protein is pentacoordinated and has a histidine as proximal ligand. Native and reconstituted POX1B exhibited high affinity towards hydrogen peroxide as well as various reducing co-substrates. In addition, high enzyme specificity was demonstrated. The kcat/KM values were 413. 28, 403. 81 mM-1s-1 for TMB and ABTS, respectively. Furthermore, the reduction of nitro compounds in presence of POX1B was demonstrated by iron(II)-nitrosoalkane complexes assay. POX1B showed a great potential to be applied for drug metabolism since its ability to react with 1-nitrohexane in presence of sodium dithionite was demonstrated by the appearance of a characteristic Soret band at 411 nm. Besides, the high catalytic efficiency obtained in the case of the new garlic peroxidase (POX1B) is suitable for different analytes monitoring and biocatalysis. The enzyme has shown a good potential for electrochemical detection of hydrogen peroxide and chlorophenols. The enzyme immobilization was carried out using chitosan as biopolymer. Electrochemical assays showed that the biosensor was able to monitor H2O2 as low as 100 nM in direct detection mode. The measured detection limit was 30 μM in milk samples with a response time less than 1 min. Then, the electrocatalytic activity of a second POX1B-based biosensor towards chlorophenols derivatives in a large range from 10 pM to 10 μM was demonstrated. The mediator free POX1B-based biosensor exhibited high sensitivity towards 2,6-dichlorophenol, 4-chlorophenol and pentachlorophenol. A detection limit of 1 pM in the case of 4-chlorophenol was demonstrated with kinetic constant Km,app of 0. 42 μM and high rapidity of electrochemical response of the biosensor of 1 s

L'érythroleucémie développée par les souris transgéniques pour le facteur de transcription spi-1 est un modèle de progression leucémique multi-étapes. Ce modèle représente le paradigme du développement des leucémies aiguës myéloïdes, impliquant la coopération entre deux classes d'événements oncogéniques : une mutation d'un facteur de transcription et une mutation d'une protéine de la signalisation. La surexpression de Spi-1 participe à l'érythroleucémie en bloquant la différenciation érythroïde, l'apoptose, et en entraînant une instabilité génomique par un contrôle de la réplication de l'ADN. Afin de comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la fonction oncogénique de Spi-1, nous avons évalué les spécificités de la fixation de Spi-1 à l'ADN dans les cellules préleucémiques, en relation avec la capacité de Spi-1 à activer et réprimer la transcription. Les résultats obtenus permettent de distinguer les mécanismes d'activation et de répression de la transcription par Spi-1. Dans les cellules préleucémiques, Spi-1 favorise la transcription des gènes en se fixant en cluster sur des sites multiples localisés près du site d'initiation de la transcription. Nous montrons que Spi-1 exerce sa fonction anti-apoptotique en inhibant la transcription du gène pro- apoptotique bim in vitro et in vivo. Spi-1 inhibe la transcription de bim en favorisant la tri-méthylation de l'histone H3 sur la lysine 27 (H3K27me3) sur le promoteur de bim. Nous proposons un nouveau mécanisme d'inhibition de la transcription par Spi-1 : le recrutement du complexe enzymatique permettant le dépôt de la marque répressive H3K27me3 au niveau des promoteurs des gènes
The erythroleukemia developed by Spi-1/PU. L transgenic mice is a multistage process. This model recapitulates the co-operation of two mutations occurring during human acute myeloid leukemia progression: a mutation interfering with differentiation and a mutation conferring a proliferative advantage to cells. Overexpression of Spi-1 transcription factor induces differentiation blockage, résistance to apoptosis and an increase in the replication fork speed that exacerbates the genetic instability. To define molecular mechanism involved in Spi-1 oncogenic functions, we explored, by high-through methods, the DNA binding specificities of Spi-1 in erythroleukemic cells in relation to its capacity to activate or repress transcription. Our results reveal distinct mechanisms for transcriptional repression and activation by Spi-1. In erythroleukemic cells, Spi-1 favors gene expression through tight multiple bindings in regions proximal to the transcription start site. We show that Spi-1 protects erythroleukemic cells from apoptosis in vitro and in vivo through inhibition of the bim pro-apoptotic gene expression. The bim expression is inhibited by an epigenetic mechanism involving tri-methylation of Histone 3 at lysine 27 (H3K27me3) on its promoter. Our study suggests a new mechanism for gene repression by Spi-1: the recruitment of the protein complex responsible for H3K27 tri-methylation to promoters

Une cellule reçoit en permanence des signaux de son environnement. Cette stimulation induit une cascade de signalisation activant un programme génique et protéomique dynamique aboutissant à une réponse cellulaire adaptée. Dans la leucémie lymphoïde chronique (LLC), la stimulation du récepteur à l’antigène induit un programme et une réponse anormale à l’origine de la prolifération leucémique. Notre objectif est de caractériser ce programme cellulaire pathologique. Pour cela, nous avons mis en place un modèle de stimulation afin de reproduire ex vivo cette stimulation du récepteur à l’antigène de cellules primaires issues de patients porteurs de LLC et d’activer ce programme cellulaire. Nous avons alors analysé la dynamique transcriptionnelle et protéomique activée dans ces cellules afin de caractériser les anomalies de ce programme. Cette étude nous a permis de mettre en évidence la spécificité de ce programme prolifératif et de caractériser les gènes clés de ce programme tumoral. Ces gènes constituent de potentielles cibles thérapeutiques innovantes
A cell constantly receives signals from its environment. This stimulation induces a signalling cascade activating a dynamic genic and proteomic program, leading to an adapted cellular response. In chronic lymphocytic leukemia (CLL), an antigen receptor stimulation induces a program and an abnormal response behind leukemic proliferation. Our aim was to characterize the pathological cell program. To achieve this, we have implemented a stimulation model to reproduce ex vivo antigen receptor stimulation of primary cells from CLL patients and activate this cellular program. We then analyzed the transcriptional and proteomic dynamics activated in these cells in order to characterize the abnormalities of this program. This study allows us to highlight the specificity of this proliferative program and to identify key genes of tumor program. These genes constitute potential new therapeutic targets

Au cours des années, de nombreuses données ont été accumulées concernant le rôle et la régulation des facteurs de transcription MYB30 et MYB96 lors des réponses de défense de la plante Arabidopsis thaliana à l'attaque de bactéries pathogènes. Mon travail de thèse a consisté en la mise en place de méthodes de modélisation mathématique afin d'étudier l'effet de ces facteurs de transcription sur le métabolisme de la plante durant l'infection. Pour cela, j'ai développé des méthodes hybrides capables de combiner l'analyse de réseaux de régulation et du métabolisme. Ces études ont pu mettre en évidence l'importance de MYB96 qui semble réguler de nombreux gènes impliqués dans la biosynthèse d'acides gras à très longue chaîne et de leurs dérivés
Over the years, a lot of data has been accumulated concerning the role and regulation of MYB30 and MYB96 transcription factors during the defence responses of the plant Arabidopsis thaliana in response to pathogenic bacteria. My PhD project consisted in using mathematical modelling methods to study the role of these transcription factors on plant metabolism during infection. I developed hybrid methods capable of combining analyses of regulatory and metabolic networks. These studies showed the importance of MYB96 which seems to positively regulate many genes involved in the biosynthesis of very long chain fatty acids and their derivatives

La formation des muscles squelettiques au cours de l'embryogenèse de la drosophile est un modèle d'étude du contrôle génétique de la différentiation cellulaire. La formation de chaque muscle comprend quatre étapes successives: spécification d'un groupe promusculaire, sélection d'un progéniteur (PC) à partir de ce groupe, division asymétrique de ce progéniteur pour donner des cellules fondatrices de muscles (FC) ; fusion de chaque FC avec des myoblastes compétents (FCM), suivie de la différenciation musculaire. Chaque muscle squelettique est composé d'une fibre. Chaque muscle présente des propriétés spécifiques de taille, forme, position, attachement, et patron d'innervation. Ces propriétés sont groupées sous le terme d'identité musculaire. Cette identité est conférée par l'expression dans chaque PC/FC d'une combinatoire de Facteurs de Transcription identitaires (FTi). Notre laboratoire étudie ce processus, en utilisant comme point d'entrée l'expression et les rôles du FTi Collier (Col) au cours du développement d'un muscle dorso-latéral, le muscle DA3 (Dorsal Acute 3). Au cours de la première partie de ma thèse, j'ai étudié la régulation transcriptionnelle de col durant les phases de spécification des groupes promusculaires et de sélection du PC à l'origine du muscle DA3. Partant de prédictions bioinformatiques j'ai caractérisé le module cis régulateur (CRM) de col actif durant ces phases (CRM précoce). Un CRM " tardif ", actif du stade progéniteur à la complétion de la formation du muscle DA3, avait été préalablement caractérisé dans l'équipe. Afin de déterminer plus précisément les fenêtres temporelles d'activité des deux CRM mésodermiques de col, j'ai mis au point un nouveau gène rapporteur comportant un intron permettant de détecter les transcrits primaires. Ceci m'a permis de montrer que les CRM précoce et tardif reproduisent ensemble l'expression endogène de col. La caractérisation du CRM précoce de col m'a aussi permis de suivre le destin des FCM du groupe promusculaire Col dans les embryons tardifs et de montrer que ces FCM contribuent uniquement à des muscles dorsaux-latéraux. Au cours de la deuxième partie de ma thèse, j'ai caractérisé le rôle, inconnu jusqu'alors, du FT à domaine LIM-Homeodomaine Tailup (Tup)/Islet1 dans la myogenèse. J'ai d'abord montré que Tup est spécifiquement exprimé dans les 4 muscles les plus dorsaux. L'analyse de mutants m'a permis de montrer qu'en absence de Tup, le muscle dorsal DA2 exprime Col et est transformé en muscle dorso-latéral de type DA3. J'ai ensuite montré que le PC du DA2 est à l'origine de la FC DA2 et d'un précurseur musculaire adulte (AMP). Ce PC est sélectionné à partir du groupe promusculaire Col quand les cellules de ce groupe expriment encore le FT à homéodomaine Tinman/NKx2. 5. Tin active tup dans le PC DA2. Tup, en retour, réprime col et cette répression permet de distinguer les identités musculaires DA2 et DA3. En conclusion, mes travaux de thèse m'ont permis de proposer un nouveau modèle permettant de relier le processus de spécification des progéniteurs au contrôle temporel et spatial de l'expression des FTi. Une vision dynamique de ce processus de spécification permet de mieux comprendre le programme identitaire propre à chaque muscle. L'analyse des interactions entre Tin, Tup, et Col au cours de la formation des muscles dorsaux révèle de nouveaux parallèles avec les interactions entre Nkx2. 5, Islet, EBF au cours de la formation des muscles pharyngaux chez les chordés
The somatic musculature of the Drosophila embryo is a classical model to study the regulatory processes that generate cellular diversity. Muscle formation is a multistep process: the first step is the specification, within the mesoderm, of a group of competent cells, called promuscular cluster. The second step is the selection of a progenitor cell (PC) from this cluster. Asymmetric division of each PC then generates muscle founder cells (FC). Finally, each FC undergoes a fusion process with fusion competent myoblasts (FCM) to generate a muscle fiber. Each muscle is formed of a single multinucleate fiber. Each Drosophila muscle has a specific identity, as it can be distinguished by its position, shape, orientation, attachment, and innervation pattern. Muscle identity reflects the expression by each PC/FC of a specific combination of identity Transcription Factors (iTF). In the laboratory, we study the control of muscle identity, using as entry point, the expression and requirement of the iTF Collier (Col) during development of a dorso-lateral (DA3) muscle. I started my PhD by characterizing col transcriptional regulation during early steps of DA3 muscle formation. Starting from computational predictions, I identified an early col cis regulatory module (Early CRM) responsible for col activation in a promuscular cluster. A late col CRM, active from the PC stage, had previously been characterized in the laboratory. To determine with more precision the temporal windows of activity of each of these CRM, I designed a novel intron-containing reporter gene in order to detect primary transcripts. This allowed me to show that the late and the early CRMs together reproduce precisely the endogenous col expression pattern. Characterization of the early mesodermal col CRM also allowed to do lineage experiments and determine the fate of FCMs that transiently express Col at the promuscular stage. I found that these myoblasts contribute mostly to dorso-lateral muscles. During the second part of my thesis, I described a new role of the LIM-homeodomain TF Tailup/Islet1 (Tup) in specifying dorsal muscles. I first showed that Tup is specifically expressed in the four dorsal muscles. In tup null mutants, on one hand, the dorsal musculature is severely disorganized and, on the other hand, the dorsal DA2 muscle ectopically expresses Col and is transformed into a dorso-lateral DA3-like muscle. I showed that the DA2 PC is singled out from the Col promuscular cluster when cells of this cluster still express (transitorily) the homeodomain TF Tinman/Nkx2. 5 (Tin). The DA2 PC gives rise to the DA2 FC and a (dorso-lateral) adult muscle precursor (AMP). Tup activation by Tin in the DA2 PC is required to repress col and establish a DA2 instead of DA3 identity. In conclusion, my work allowed to propose a model which connects a temporal sequence of transcriptional regulation of iTFs to the specification of muscle PC identity and final muscle pattern. It provides a novel, dynamic view of how muscle identity is specified. These findings also provide novel parallels with the specification of pharyngeal muscles in vertebrates

Comprendre comment l’expression des gènes est régulée spécifiquement dans chaque tissu et de manière dynamique au cours du temps demeure une étape centrale de notre compréhension de l’organogénèse. L’identification des éléments cis-régulateurs de la transcription de manière tissu-spécifique peut permettre de comprendre les règles logiques d’organisation du réseau de gènes régulateur et aussi d’identifier de nouveaux acteurs (facteurs de transcription notamment). L’analyse de marques de chromatine (H3K27ac et H3K4me3) spécifiquement dans les cardioblastes (104 cellules) au cours de la différentiation a permis l’identification en masse de régions cis-régulatrices de la transcription. Via une approche d’apprentissage, de nouvelles régions régulatrices spécifiques des cardiomyocytes ainsi que 2 nouveaux facteurs de transcription (bagpipe, hamlet) ont été identifiées. L’alignement multiple des régions régulatrices suggère que les régions associées à H3K27ac dans les cellules cardiaques durant ces étapes de l’organogénèse partagent une séquence consensus. Ces nouveaux éléments régulateurs viennent compléter le réseau de gène régulateur au cours des étapes tardives de la cardiogénèse
Understanding how gene expression is spatio-temporally regulated remains a crucial step in our understanding of organogenesis. Identification of transciptional cis-regulatory elements in a tissu-specific manner could allow to understand logical rules leading regulatory network organisation and to identify new actors (in particular transcription factors). Analysis of chromatin marks (H3K27ac and H3K4me3) specifically in cardiac cells (104 cells) during differentiation allowed the identification of transcriptional cis-regulatory regions. Via a machine learning approach, new cardiac specific regulatory regions and two transcription factors (bagpipe and hamlet) have been identified. Multiple sequence alignment of regulatory regions suggests that regions associated to H3K27ac in cardiac cells during these steps of organogenesis share a consensus sequence. These new regulatory elements integrate and complete the gene regulatory network underlying late steps of cardiogenesis

Les ARNs non-codants régulateurs (ARNnc) regroupent des acteurs majeurs de la régulation de l'expression des gènes, retrouvés de manière ubiquitaire dans l'ensemble des domaines du vivant. Chez les bactéries ils sont également appelés sRNAs, jouent des rôles clefs dans de nombreuxprocessus physiologiques et adaptatifs. Ces sRNAs ont été mis en évidence par des méthodes expérimentales haut-débit (microarray, tilling-array...) dans plusieurs espèces bactériennes d'intérêt. Ils agissent majoritairement au niveau post-transcriptionnel via une interaction physique avec un ou plusieurs ARNs messagers(s) cibles(s). Cependant, les informations sur les ARNmet les fonctions potentielles de ces sRNAs restent très parcellaires à ce jour. De plus, les profils d'évolution des sRNAs ont été peu étudiés chez les bactéries pathogènes. Le travail réalisé dans cette thèse repose sur l'hypothèse que l'évolution des sRNAs et leur coévolution avec d'autres éléments fonctionnels dans un ensemble de génomes, peut permettre de mieux comprendre leurs histoires évolutives, mais également de caractériser leurs fonctions potentielles et peut-être d'aider à identifier le ou les ARNm cibles avec lesquels ils interagissent. Dans ce but, nous avons conçu et implémenté une stratégie de phylogénomique robuste et géné- rique permettant d'analyser l'évolution et la coévolution des sRNAs et des ARNm cibles dans un ensemble de génomes bactériens annotés, à partir de leur profil de présence-absence. Cette méthode a été appliquée à l'analyse de l'évolution et de la coévolution de 154 sRNAs trans régulateurs de Listeria monocytogenes EGD-e. Elle nous a permis d'identifier 52 sRNAs accessoires dont la majo- rité étaient présents dans l'ancêtre commun des souches de Listeria et ont été perdus au cours de l'évolution. Nous avons ensuite détecté une coévolution significative entre 23 sRNAs et 52 ARNm et nous avons reconstruit le réseau de coévolution des sRNAs et ARNm de Listeria. Ce réseau contient un hub principal de 12 sRNAs qui coévoluent avec des ARNm codant pour des protéines de la paroi ainsi que des facteurs de virulence. Parmi eux nous avons pu identifier 4 sRNAs coévoluant avec 7 gènes codant pour des internalines qui sont connues pour regrouper d'importants facteurs de virulence chez Listeria. De plus, l'ARN rli133, qui coévolue avec plusieurs gènes impliqués dans le pouvoir pathogène de Listeria, contient des régions compatibles avec des interactions physiques directes inhibitrices pour la majorité de ses partenaires de coévolution
Non coding RNAs (ncRNA) are main actors of gene expression regulation and are found ubiquitously in all domains of life. In bacteria, ncRNAs play key roles in a wide range of physiological and adaptive processes. These "small non coding RNAs" (sRNAs) are identified by high-throughput experimental methods (microarray, tilling-array, ...) in several bacteria species of interest. They mainly act at post-transcriptional level through physical interactions with one or several mRNA(s). Nevertheless, the available informations about mRNA targets and sRNAs functions, remain very limited. In addition, evolutionary patterns of sRNAs have been poorly studied in pathogenic bacteria. The main hypothesis of my PhD work is therefore that analysis of evolution and coevolution between sRNAs and other functional elements in a given genomes set, may allow to understand their evolutionary histories, to better characterize their putative functions, and may also help to identify their potential mRNA(s) target(s). For this purpose, we designed and developed a robust and generic phylogenomic approach to analyze evolution and coevolution between sRNAs and mRNA from their presence-absence profiles, in a set of annotated bacterial genomes. This method was thereafter used to analyze evolution and coevolution of 154 Listeria monocytogenes EGD-e trans regulatory sRNAs in 79 complete genomes of Listeria. This approach allowed us to discover 52 accessory sRNAs, the majority ofwhich were present in the Listeria common ancestor and were subsequently lost during evolution of Listeria strains. We then detected significant coevolutions events between 23 sRNAs and 52 mRNAs and reconstructed the coevolving network of Listeria sRNA and mRNA. This network contains a main hub of 12 sRNAs that coevolves with mRNA encoding cell wall proteins and virulence factors. Among them, we have identified 4 sRNAs coevolving with 7 internalin-coding genes that are known to group important virulence factors of Listeria. Additionaly, rli133, a sRNA that coevolve with several genes involved in Listeria pathogenicity, exhibits regions compatible with direct translational inhibitory physical interactions for most of its coevolution partners

La caractérisation des modules cis-régulateurs (CRM) ainsi que de leur activité sont essentiels pour comprendre la régulation des gènes au cours du développement des métazoaires. La technique de l'immunoprécipitation de la chromatine suivie du séquenage à haut débit de l'ADN (ChIP-seq) constitue une approche puissante pour localiser les CRM. Afin de localiser des facteurs génériques au sein de tissus spécifiques, nous avons développé une approche ChIP-seq sur des noyaux triés par cytométrie de flux et localisons des modifications post-traductionelles de l'histone H3, ainsi que l'ARN polymérase II (PolII) dans le mésoderme de la Drosophile. Nous montrons que les CRM actifs sont caractérisés par la présence d'H3 modifiés (K27Ac et K79me3) et de PolII. De plus, la présence et la forme des signaux correspondants à ces marques corrèlent dynamiquement avec l'activité des CRM. Enfin, nous prédisons la présence de CRM actifs et confirmons leur activité in vivo à 89%. Paralllement, nous étudions comment cinq facteurs essentiels au développement cardiaque se coordonnent en cis au sein du mésoderme dorsal, précurseur des mésodermes cardiaque (MC) et viscéral (MV). Nous démontrons que ces facteurs sont recrutés en tant que collectif au niveau des CRM cardiaques via un nombre limité de sites de fixation et en l'absence de contraintes architecturales. En outre, nous découvrons que ces facteurs cardiaques sont recrutés au niveau de CRM actifs dans le MV voisin et activement réprimés dans le MC, reflétant ainsi l'origine tissulaire commune de ces deux populations cellulaires. Nous concluons que les CRM impliqués dans le développement peuvent présenter une empreinte développementale.

Les phosphorelais histidine-aspartate constituent la voie préférentielle de transduction des signaux environnementaux chez les bactéries et médient un grand nombre de réponses adaptatives différentes. Le système Rcs d'Escherichia coli est un phosphorelais complexe constitué de cinq protéines RcsCDBFA. Exclusif des Entérobactéries, il module la formation des biofilms et la virulence de différents pathogènes. Il est activé par des altérations de l'enveloppe et contrôle 2 à 3 % du génome bactérien. Cependant, le rôle du système Rcs dans l'adaptation des cellules à leur environnement reste peu documenté. Mon travail de thèse avait pour objectifs (i) de progresser dans la connaissance du rôle du système Rcs dans des conditions environnementales pertinentes (ii) de rationaliser la complexité du phosphorelais Rcs et notamment d'expliquer le rôle du co-facteur accessoire RcsA au sein de la réponse Rcs (iii) de tendre vers une vision intégrative du système par l'identification de ses partenaires protéiques. Dans le cadre de ces objectifs, mon travail de thèse a démontré le rôle essentiel du système Rcs pour la survie aux pHs acides, situation rencontrée par l'entérobactérie E. Coli dans l'estomac des mammifères. Mes travaux suggèrent également que le co-facteur accessoire RcsA affecte la cinétique d'expression de l'ensemble des gènes du régulon RcsB et qu'il permet notamment de prolonger la réponse Rcs après la disparition du signal activateur du phosphorelais. Pour finir, il apparaît que la régulation de rcsA est bien plus complexe qu'initialement supposée. En effet, mes résultats ont mis en évidence deux niveaux de régulation : transcriptionnel et post-transcriptionnel
Two-component systems, also called phosphorelays are the major signalling pathways in bacteria. They are widespread and mediate a large variety of adaptative cellular responses. The Rcs system of Escherichia coli is a complex phosphorelay composed of five proteins: RcsCDBFA. Exclusive to the Enterobacteriacae, the Rcs phosphorelay modulates biofilm formation and virulence in several pathogens. It is activated by membrane alterations and influences expression of 2 to 3% of the bacterial genome. However, the role of the Rcs system in adaptation to the environment remains elusive. The three objectives of my PhD were (i) to explore further the role of the Rcs system in adaptation to relevant environmental conditions (ii) to rationalize the complexity of the Rcs phosphorelay and, in particular, to explain the role of the accessory co-factor RcsA in the Rcs response (iii) to develop an integrated vision of the system through the identification of its protein partners. Within the framework of these objectives, my work proved that the Rcs system is essential for resistance to low pH, a situation encountered by E. Coli in mammals' stomach. My research also suggests that the accessory cofactor RcsA modulates the kinetics of expression of the whole RcsB regulon, in particular by prolonging the Rcs response after the phosphorelay's activating signal has stopped. To finish with, my work revealed a greater complexity in rcsA regulation than was previously thought to exist, by showing that it is twofold: transcriptional and post-transcriptional

Plusieurs souches cliniques de Candida albicans résistantes aux médicaments antifongiques azolés surexpriment des gènes encodant des effecteurs de la résistance appartenant à deux classes fonctionnelles : i) des transporteurs expulsant les azoles, CDR1, CDR2 et MDR1 et ii) la cible des azoles 14-lanostérol déméthylase encodée par ERG11. La surexpression de ces gènes est due à la sélection de mutations activatrices dans des facteurs de transcription à doigts de zinc de la famille zinc cluster (Zn2Cys6) qui contrôlent leur expression : Tac1p (Transcriptional activator of CDR genes 1) contrôlant l’expression de CDR1 et CDR2, Mrr1p (Multidrug resistance regulator 1), régulant celle de MDR1 et Upc2p (Uptake control 2), contrôlant celle d’ERG11. Un autre effecteur de la résistance clinique aux azoles est PDR16, encodant une transférase de phospholipides, dont la surexpression accompagne souvent celle de CDR1 et CDR2, suggérant que les trois gènes appartiennent au même régulon, potentiellement celui de Tac1p. De plus, la régulation transcriptionnelle du gène MDR1 ne dépend pas seulement de Mrr1p, mais aussi du facteur de transcription de la famille basic-leucine zipper Cap1p (Candida activator protein 1), un régulateur majeur de la réponse au stress oxydatif chez C. albicans qui, lorsque muté, induit une surexpression constitutive de MDR1 conférant la résistance aux azoles. Ces observations suggèrent qu’un réseau de régulation transcriptionnelle complexe contrôle le processus de résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans. L’objectif de mon projet au doctorat était d’identifier les cibles transcriptionnelles directes des facteurs de transcription Tac1p, Upc2p et Cap1p, en me servant d’approches génétiques et de génomique fonctionnelle, afin de i) caractériser leur réseau transcriptionnel et les modules transcriptionnels qui sont sous leur contrôle direct, et ii) d’inférer leurs fonctions biologiques et ainsi mieux comprendre leur rôle dans la résistance aux azoles. Dans un premier volet, j’ai démontré, par des expériences de génétique, que Tac1p contrôle non seulement la surexpression de CDR1 et CDR2 mais aussi celle de PDR16. Mes résultats ont identifié une nouvelle mutation activatrice de Tac1p (N972D) et ont révélé la participation d’un autre régulateur dans le contrôle transcriptionnel de CDR1 et PDR16 dont l’identité est encore inconnue. Une combinaison d’expériences de transcriptomique et d’immunoprécipitation de la chromatine couplée à l’hybridation sur des biopuces à ADN (ChIP-chip) m’a permis d’identifier plusieurs gènes dont l’expression est contrôlée in vivo et directement par Tac1p (PDR16, CDR1, CDR2, ERG2, autres), Upc2p (ERG11, ERG2, MDR1, CDR1, autres) et Cap1p (MDR1, GCY1, GLR1, autres). Ces expériences ont révélé qu’Upc2p ne contrôle pas seulement l’expression d’ERG11, mais aussi celle de MDR1 et CDR1. Plusieurs nouvelles propriétés fonctionnelles de ces régulateurs ont été caractérisées, notamment la liaison in vivo de Tac1p aux promoteurs de ses cibles de façon constitutive et indépendamment de son état d’activation, et la liaison de Cap1p non seulement à la région du promoteur de ses cibles, mais aussi celle couvrant le cadre de lecture ouvert et le terminateur transcriptionnel putatif, suggérant une interaction physique avec la machinerie de la transcription. La caractérisation du réseau transcriptionnel a révélé une interaction fonctionnnelle entre ces différents facteurs, notamment Cap1p et Mrr1p, et a permis d’inférer des fonctions biologiques potentielles pour Tac1p (trafic et la mobilisation des lipides, réponse au stress oxydatif et osmotique) et confirmer ou proposer d’autres fonctions pour Upc2p (métabolisme des stérols) et Cap1p (réponse au stress oxydatif, métabolisme des sources d’azote, transport des phospholipides). Mes études suggèrent que la résistance aux antifongiques azolés chez C. albicans est intimement liée au métabolisme des lipides membranaires et à la réponse au stress oxydatif.
Many azole resistant Candida albicans clinical isolates overexpress genes encoding azole resistance effectors that belong to two functional categories: i) CDR1, CDR2 and MDR1, encoding azole-efflux transporters and ii) ERG11, encoding the target of azoles 14-lanosterol demethylase. The constitutive overexpression of these genes is due to activating mutations in transcription factors of the zinc cluster family (Zn2Cys6) which control their expression. Tac1p (Transcriptional activator of CDR genes 1), controlling the expression of CDR1 and CDR2, Mrr1p (Multidrug resistance regulator 1), regulating MDR1 expression and Upc2p (Uptake control 2), controlling the expression of ERG11. Another determinant of clinical azole resistance is PDR16, encoding a phospholipid transferase, whose overexpression often accompanies that of CDR1 and CDR2 in clinical isolates, suggesting that the three genes belong to the same regulon, potentially that of Tac1p. Further, MDR1 expression is not only regulated by Mrr1p, but also by the basic-leucine zipper transcription factor Cap1p (Candida activator protein 1), which controls the oxidative stress response in C. albicans and whose mutation confers azole resistance via MDR1 overexpression. These observations suggest that a complex transcriptional regulatory network controls azole resistance in C. albicans. My Ph.D. studies are aimed at identifying the direct transcriptional targets of Tac1p, Upc2p and Cap1p using genetics and functional genomics approches in order to i) characterize their regulatory network and the transcriptional modules under their direct control and ii) infer their biological functions and better understand their roles in azole resistance. In the first part of my studies, I showed that Tac1p does not only control the expression of CDR1 and CDR2, but also that of PDR16. My results also identified a new activating mutation in Tac1p (N972D) and revealed that the expression of CDR1 and PDR16 is under the control of another yet unknown regulator. The combination of transcriptomics and genome-wide location (ChIP-chip) approaches allowed me to identify the in vivo direct targets of Tac1p (PDR16, CDR1, CDR2, ERG2, others), Upc2p (ERG11, ERG2, MDR1, CDR1, others) and Cap1p (MDR1, GCY1, GLR1, others). These results also revealed that Upc2p does not only control the expression of ERG11 but also that of MDR1 and CDR1. Many new functional features of these transcription factors were found, including the constitutive binding of Tac1p to its targets under both activating and non-activating conditions, and the binding of Cap1p which extends beyond the promoter region of its target genes, to cover the open reading frame and the putative transcription termination regions, suggesting a physical interaction with the transcriptional machinery. The characterization of the transcriptional regulatory network revealed a functional interaction between these factors, notably between Cap1p and Mrr1p, and inferred potential biological functions for Tac1p (lipid mobilization and traffic, response to oxidative and osmotic stress) and confirmed or suggested other functions for Upc2p (sterol metabolism) and Cap1p (oxidative stress response, regulation of nitrogen utilization and phospholipids transport). Taken together, my results suggest that azole resistance in C. albicans is tightly linked to membrane lipid metabolism and oxidative stress response.

Les cellules souches somatiques présentent habituellement un comportement très différent des cellules souches pluripotentes. Les bases moléculaires de l’auto-renouvellement des cellules souches embryonnaires ont été récemment déchiffrées grâce à la facilité avec laquelle nous pouvons maintenant les purifier et les maintenir en culture durant de longues périodes de temps. Par contre, il en va tout autrement pour les cellules souches hématopoïétiques. Dans le but d’en apprendre davantage sur le fonctionnement moléculaire de l’auto-renouvellement des cellules souches hématopoïétiques, j’ai d’abord conçu une nouvelle méthode de criblage gain-de-fonction qui répond aux caprices particuliers de ces cellules. Partant d’une liste de plus de 700 facteurs nucléaires et facteurs de division asymétrique candidats, j’ai identifié 24 nouveaux facteurs qui augmentent l’activité des cellules souches hématopoïétiques lorsqu’ils sont surexprimés. J’ai par la suite démontré que neuf de ces facteurs agissent de manière extrinsèque aux cellules souches hématopoïétiques, c’est-à-dire que l’effet provient des cellules nourricières modifiées en co-culture. J’ai également mis à jour un nouveau réseau de régulation de transcription qui implique cinq des facteurs identifiés, c’est-à-dire PRDM16, SPI1, KLF10, FOS et TFEC. Ce réseau ressemble étrangement à celui soutenant l’ostéoclastogénèse. Ces résultats soulèvent l’hypothèse selon laquelle les ostéoclastes pourraient aussi faire partie de la niche fonctionnelle des cellules souches hématopoïétiques dans la moelle osseuse. De plus, j’ai identifié un second réseau de régulation impliquant SOX4, SMARCC1 et plusieurs facteurs identifiés précédemment dans le laboratoire, c’est-à-dire BMI1, MSI2 et KDM5B. D’autre part, plusieurs indices accumulés tendent à démontrer qu’il existe des différences fondamentales entre le fonctionnement des cellules souches hématopoïétiques murines et humaines.
Somatic stem cells usually exhibit a very different behavior compared to pluripotent stem cells. The molecular basis of embryonic stem cell self-renewal was recently decrypted by the relative straightforwardness with which we can now purify and maintain these cells in culture for long periods of time. However, this is not the case with hematopoietic stem cells. In order to elucidate the molecular mechanisms of hematopoietic stem cell self-renewal, I developed a novel gain-of-function screening strategy, which bypasses some constraints found with these cells. Starting from a list of more than 700 candidate nuclear factors and asymmetric division factors, I have identified 24 new factors that increase hematopoietic stem cell activity when overexpressed. I have also found that nine of these factors act extrinsically to hematopoietic stem cells, i.e., the effect comes from the engineered feeder cells in co-culture. Moreover, I have revealed a new transcriptional regulatory network including five of the factors identified, i.e., PRDM16, SPI1, KLF10, FOS and TFEC. This network is particularly similar to that involved in osteoclastogenesis. These results raise the hypothesis that osteoclasts might also be part of the functional hematopoietic stem cell niche in the bone marrow. Furthermore, I have identified a second regulatory network involving SOX4, SMARCC1 and several factors previously identified in the laboratory, i.e., BMI1, MSI2 and KDM5B. Besides, several lines of evidence tend to show that there are fundamental differences between mouse and human hematopoietic stem cells.

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription.
Genomes encode most of the functions necessary for cell growth and differentiation. Gene transcription, RNA processing, and chromatin remodeling are central processes in the interpretation of the information contained in genomic DNA. Although many protein complexes forming the cellular machinery that interprets mammalian genomes have been studied, a number of additional complexes remain to be identified and characterized. Using proteomic approaches, Dr. Benoit Coulombe’s laboratory purified many components of the RNAPII transcription machinery using tandem affinity purification (TAP), a procedure that allows the isolation of protein complexes as they likely exist in live mammalian cells, and the identification of interaction partners using mass spectrometry. High confidence interactions were selected computationally and used to draw the map of a network connecting many components of the mRNA transcriptional machinery. By applying this procedure, our lab has identified, for the first time, a group of proteins, that interacts both physically and functionally with human RNAPII, and whose properties suggest a role in the assembly of multi-subunit complexes, acting as RNAPII-specific scaffolding proteins and chaperones. The aim of my project was to continue the characterization of the network of protein complexes involving transcription factors, and thus, further pursuing our survey of protein complexes in whole cell extracts. Eight novel RNAPII interaction partners (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 and CCT5) were purified using the tandem affinity purification (TAP) method, and their interaction partners were identified by mass spectrometry. Over the years, our lab’s analysis of transcriptional regulation and mechanisms has contributed novel and important knowledge that provided better understanding of mRNA synthesis. This knowledge is paramount to the development of therapeutics that will target transcriptional mechanisms.