The effects of the promotor region of the 240bp repeats of the rRNA genes on x-y chromosome disjunction in Drosophila melanogaster males

Pairing between homologous chromosomes is essential for successful meiosis. In Drosophila melanogaster males, sex chromosome pairing during meiosis I is mediated by rDNA, located in heterochromatin. Several analyses of rDNA fragments showed that 240bp repeats in the intergenic spacer (IGS) have the ability to stimulate X-Y chromosome pairing and disjunction. In addition, point mutations within the promoter of the 240bp repeats failed to mediate X-Y chromosome pairing and disjunction. These previous studies imply that promoter activity of the 240bp repeats is involved in X-Y chromosome pairing in Drosophila males. In this study, I made a construct composed of 16 copies of the 72bp fragment within the 240bp repeat, which has promoter activity and obtained transformant lines with the construct. The construct was transferred to Df(1)X-1, an rDNA deficient X chromosome, by recombination. The effect of the transgene on the frequency of X-Y disjunction were analyzed both by cytological and genetic experiments. The transgene in Df(1)X-1 chromosome induced increased X-Y chromosome disjunction frequency. The result indicates that promoter activity of the 240bp repeats may be responsible for X-Y chromosome pairing in Drosophila males

Développement et application d'un outil bio-informatique pour cartographier la machinerie de l'ARN polymérase I chez les mammifères

L’immunoprécipitation de la chromatine suivie du séquençage haut débit (ChIP-seq) est une technique permettant de visualiser les interactions entre l’ADN et les protéines. Toutefois, en pratique, la résolution de cette technique laisse à désirer. En étudiant les gènes de l’ARN ribosomique (ADNr), nous avons observé que le facteur majeur limitant la résolution découle du recouvrement inégal des séquences de chaque locus. Cette inégalité est superposée à la distribution réelle de la séquence d’ADN immunoprécipitée entrainant un profil de liaison protéique aberrant. Un logiciel de déconvolution a été développé afin de corriger la couverture inégale des données ChIP-seq en les normalisant par rapport aux données de l’input (Whole Cell Extract). Lorsqu’appliqué sur les données de l’ADNr, cet outil s’est avéré très utile en fournissant un profil de liaison détaillé de la chromatine et des facteurs de transcription le long de ce gène. D’autre part, des études de localisation des sites d’interactions protéiques d’UBF, un facteur de transcription associé à l’ADNr, à la grandeur du génome couplé à des expériences de DNase-seq et de microarray ont permis de mettre en lumière les rôles potentiels d’UBF dans les régions non ribosomiques. En conclusion, nous avons développé un outil permettant la normalisation par déconvolution de données de séquençage haut-débit qui permet d’augmenter la résolution du profil de liaison protéique sur l’ADNr en plus d’identifier les rôles potentiels d’UBF à l’échelle du génome.Chromatin immunoprecipitation followed by massively parallel sequencing (ChIP-seq) is a technique that allows to visualize interactions between DNA and proteins. However in practice, the resolution of this technique leaves much to be desired. During our studies of the ribosomal RNA genes (rDNA), we observed that one major factor limiting resolution results from the unequal recovery of sequence data across any given locus. This inequality is superimposed on the actual distribution of immunoprecipitated DNA sequences resulting in aberrant protein binding profiles. A software was developed to correct the unequal coverage of ChIP-seq data by normalizing to the input (Whole Cell Extract) with a deconvolution protocol. When applied on the rDNA, this approach has been especially useful in providing a detailed map of chromatin and transcription factor distribution across the gene. On the other hand, genome-wide localization of protein interaction sites for UBF, a transcription factor associated to rDNA, coupled with DNase-seq and microarray experiments shed light on the potential roles of UBF in non-ribosomal regions. In conclusion, we developed a tool allowing the normalization by deconvolution of high-throughput sequencing data that allows to increase the resolution of protein binding profiles on the rDNA. In addition we identified the potential roles of UBF at genome scale

Transcription of the 'non-transcribed' spacer of Drosophila melanogaster rDNA.

We have detected a set of transcripts in Drosophila melanogaster cells which are homologous to repeating elements within the 'non-transcribed' spacer region of rDNA. The RNA molecules range from 240 to 1680 nucleotides, differing in length by an integral value of 240 nucleotides. We have sequenced several AluI fragments which characterise the main 240 nucleotide repeating element. We find that each of these fragments contain a segment of approximately 50 nucleotides, which is homologous to the transcription initiation site for pre-rRNA

Étude du contexte chromatinien de la transcription des gènes codant les ARN ribosomiques chez la souris

Au centre du ribosome, lui-même centre de synthèse de toutes les protéines, se trouve quatre molécules d’ARN, nommées les ARNs ribosomiques. Ces ARNs sont synthétisés dans le nucléole des cellules eucaryotes à partir des gènes répétés en tandem, les gènes d’ARN ribosomiques. Ces gènes nécessitent une régulation très stricte de la transcription des ARN ribosomiques pour permettre un cycle cellulaire contrôlé et surtout contrôlable. En effet, un débalancement de la transcription des ARN ribosomiques a été observée dans de nombreuses maladies comme par exemple le cancer. En conséquence, l’étude de la régulation de la synthèse des ARN ribosomiques est d’une importance cruciale dans la compréhension et subséquemment le traitement de ces maladies. En raison du nombre de répétitions des gènes d’ARN ribosomiques, souvent évaluées aux alentours de 175 par génome haploïde pour les mammifères, l’étude in vivo de leur régulation est difficile par les techniques de mutagénèse. L’approche que j’ai développée durant cette thèse de doctorat est celle de l’immuno-précipitation de chromatine suivie de séquençage à haut débit (ChIP-Seq) en combinaison avec des lignées cellulaires conditionnelles pour des facteurs essentiels de la transcription ribosomique. Les gènes d’ARN ribosomique possèdent la particularité d’être transcrits grâce à une machinerie entièrement dédiée à sa transcription. Ces facteurs généraux de transcription agissent de concert pour effectuer efficacement leur rôle. Dans l’organisme modèle utilisé ici, à savoir Mus musculus, l’ARN polymérase I transcrit ces gènes avec l’aide, lors de l’initiation, des facteurs UBF, Rrn3/TIF-1A et SL-1/TIF-1B. Le facteur de terminaison TTF-1 permet de terminer la transcription de l’ARN précurseur, et joue plusieurs rôles dans la régulation de l’état des gènes. Dans un premier temps, nous avons été amenés à développer, en complément du séquençage à haut débit, une approche de déconvolution des données pour permettre d’améliorer l’interprétation subséquente. Cette approche a été validée par l’amélioration notamment des profils d’immuno-précipitation de chromatine obtenus avec l’ARN polymérase I qui montrent une distribution homogène le long des gènes d’ARNr comme montrée par la technique de Miller Spread. Cette amélioration des données a également pu mettre en avant un double rôle d’UBF en fonction soit de sa complémentarité avec SL-1 soit de son affinité pour les séquences riches en GC de l’ADN. Par la suite nous avons pu mettre en évidence la localisation des régions régulatrices et, en amont de ces régions, d’une barrière nucléosomique permettant de créer et maintenir une zone sans nucléosomes le long des gènes d’ARN ribosomiques. Cette barrière possède deux particularités. La première est d’être identifiée par les marques épigénétiques associées habituellement à l’activation de la transcription comme H3K4me3, H2A.Z ou encore l’acétylation de H2A.Z. La deuxième particularité est d’être indépendante de la présence d’UBF qui est elle-même indépendante de la transcription. Cependant, ce travail n’a pas détecté la présence des marques épigénétiques de l’activation de la transcription le long des gènes d’ARNr remettant en question certaines hypothèses sur la régulation de la transcription ribosomique. Finalement, les études en parallèle dans les cellules souche embryonnaires (mESC) et fibroblastes embryonnaires (MEF) a permis d’identifier 3 catégories de gènes ribosomiques dans une même cellule. Une première forme nucléosomale ou l’ADN est méthylé et hétérochromatique, une deuxième nucléosomale mais non méthylée et finalement une forme transcrite. Une comparaison quantitative de la synthèse d'ARNr dans les mESCs et les MEFs a montré que le nombre de gènes actifs n'est pas un facteur significatif dans la régulation de la synthèse d’ARNr. Dans des cellules souches embryonnaires, tous les gènes sont transcrits en même temps avec une faible efficacité. Dans des cellules différenciées, une faible portion des gènes est transcrite mais très efficacement, cette efficacité étant relié au nombre de polymérase en cours de transcription. Les différents profils d'interaction de Rrn3 et de PolI près du site d'initiation de la transcription suggèrent que cette différence est due à une régulation de l'initiationAt the heart of the ribosome, itself the center of synthesis of all proteins, are four RNA molecules, called ribosomal RNAs. These RNAs are synthesized in the nucleolus of eukaryotic cells from the tandemly repeated genes, the ribosomal RNA genes. A very strict regulation of the transcription of ribosomal RNA needs to be made to allow a controlled and above all a controllable cell cycle. Indeed, the imbalance of ribosomal RNA synthesis has been observed in many diseases such as cancer. Consequently, the study of transcriptional regulation of ribosomal RNAs is of crucial importance in the understanding and subsequent treatment of these diseases. Due to the number of repeats of ribosomal RNA genes, evaluated at around 175 per haploid genome for mammals, the in vivo study of their regulation by mutagenesis techniques is difficult. The approach I developed during this doctoral thesis is that of chromatin immunoprecipitation followed by high throughput sequencing (ChIP-Seq) applied to cell lines conditional for the basal transcription factors. The ribosomal RNA genes have the particularity of being transcribed thanks to an entirely dedicated transcriptional machinery. In mice, these general transcription factors act in concert to perform their role effectively. In the model organism used here, namely Mus musculus, RNA polymerase I transcribes the genes with the help, during initiation, of the factors UBF, Rrn3 / TIF-1A and SL-1 / TIF-1B. The TTF-1 termination factor makes it possible to terminate transcription of precursor ribosomal RNA, and also plays roles in gene regulation. In addition to high-throughput sequencing, we have developed a deconvolution approach to improve the interpretation of ChIP-Seq data. This approach has been validated by the improvement in particular of immunoprecipitation profiles obtained for RNA polymerase I that confirm the electron microscopy images of Miller spread type. This improvement of the data could also highlight a dual role of UBF depending on its complementarity with SL-1 and its affinity for GC-rich sequences of DNA. Subsequently we have been able to highlight the upstream localization of the regulatory regions and of a nucleosome barrier allowing to create and maintain a zone without nucleosomes along the rRNA genes. This barrier has two peculiarities, the first is that it contains the epigenetic marks usually associated with the activation of transcription such as H3K4me3, H2A.Z or the acetylation of H2A.Z. The second particularity is that it is independent of the presence of UBF, which is itself independent of transcription. Challenging certain assumptions about the regulation of ribosomal transcription, our work did not detect the presence of epigenetic markers of transcriptional activation throughout the rRNA gene body. Finally, parallel studies in embryonic stem cells (ESC) and embryonic fibroblasts (MEFs) made it possible to identify 3 categories of ribosomal genes in the same cell. First, a heterochromatic DNA methylated and nucleosomal form, a nucleosomal but non-DNA methylated form, and finally a transcribed form. A quantitative comparison of rRNA synthesis in ESCs and MEFs has shown that the number of active genes is not a significant factor in the regulation of rRNA synthesis. In embryonic cells, all genes are transcribed at the same time with low efficiency. In differentiated cells, a small portion of the genes are transcribed but very efficiently, this efficiency being related to the number of polymerase being transcribed. The different interaction profiles of Rrn3 and PolI near the transcription initiation site suggest that this difference is due to the regulation of initiation