Les microtubules (MTs) sont des polymères essentiels du cytosquelette formés d’hétérodimères d’αβ-tubuline, dont l’instabilité dynamique sous-tend des processus cellulaires majeurs. Cette thèse a développé un workflow multi-échelle en cryo-EM, complété par de nouvelles approches computationnelles, afin de cartographier l’hétérogénéité du réseau à l’échelle d’un MT unique et de la relier directement à l’état d’assemblage. Grâce à cette approche, nous avons d’abord démontré que le nombre et la position des jointures peuvent varier au sein d’un même MT, générant des discontinuités locales le long du filament. Nous avons ensuite identifié deux types d’interactions latérales jusque-là non décrits, appelés Type C et D, qui créent des réseaux avec rupture de symétrie hélicoïdale. Ces géométries non canoniques impliquent un décalage axial d’environ 21 Å et une rotation vers l’intérieur des protofilaments, et ont été résolues à 2,9 Å et 3,1 Å respectivement, révélant de nouveaux contacts latéraux à haut rayon. En parallèle, nous avons obtenu les structures des réseaux de type A et B à la plus haute résolution à ce jour, soit 2,5 Å et 2,7 Å respectivement. Des expériences cinétiques ont montré que ces Type C et D sont enrichis lors de la phase de croissance rapide, établissant qu’il s’agit d’intermédiaires cinétiques favorisés. Des analyses complémentaires ont par ailleurs suggéré qu’End Binding protein 1 agit comme un régulateur supprimant à la fois la variabilité du nombre de protofilaments et la formation de géométries non canoniques, maintenant ainsi la fidélité du réseau. Dans l’ensemble, ce travail a mis en évidence de nouvelles formes d’hétérogénéité des MTs, souligné leurs relations structurales et leurs origines cinétiques, et les a reliées à une régulation par l’environnement autour du MT, forçant à reconsidérer les modèles actuels de l’instabilité dynamique et des processus biologiques associés.

Au cours des dernières décennies, le chien (Canis lupus familiaris) est devenu un modèle de choix pour l'étude des maladies génétiques complexes, grâce à sa diversité phénotypique, fruit d'une domestication ancienne et d'une sélection artificielle intense conduisant à la formation de plus de 400 races modernes, véritables isolats génétiques. Cette thèse porte sur la dysplasie coxo-fémorale (DCF), une affection multifactorielle débilitante du développement articulaire et homologue à la dysplasie développementale de la hanche (DDH) chez l'humain. Plus de 700 chiens ont été séquencés à faible couverture puis imputés afin d'identifier, par analyse d'association pangénomique (GWAS), des loci associés à la DCF. Deux outils bio-informatiques ont été développés : la librairie R Pedixplorer pour le traitement des pedigrees complexes et le pipeline nf-core/phaseimpute consacré à l'imputation de génotypes. La combinaison de GWAS intra- et inter-races avec des annotations fonctionnelles et une comparaison à la littérature sur la DDH humaine nous a permis de mettre en évidence une vingtaine de loci candidats. Ce travail, mené en partenariat avec l'ACGAO et la Fondation VISIO, ouvre la voie à un futur test génétique de risque dont le développement se poursuivra dans une thèse ultérieure.

L’organisation du réseau de microtubules est essentielle pour de nombreuses fonctions cellulaires, telles que le transport intracellulaire et la polarisation de la cellule. La Kinésine-1 (Khc) est un moteur moléculaire qui joue un rôle clé dans ces processus, et des mutations de Khc sont associées à plusieurs pathologies humaines. Récemment, Ensconsine/MAP7, a été identifiée comme un activateur de Khc. Au cours de cette étude, j’ai exploré les fonctions du complexe Khc/Ensconsine dans le remodelage des réseaux de microtubules. En combinant des analyses génétiques et microscopiques pour étudier l’organisation des microtubules dans l’ovocyte de Drosophila melanogaster, j’ai disséqué deux mécanismes clés : l’enrichissement spatial d’Ensconsine et la levée de l’auto-inhibition de la Khc. L’ensemble des données montre qu’Ensconsine, est transportée sur les microtubules, des cellules nourricières vers l’ovocyte par la Dynéine et maintenue au cortex de l'ovocyte par la Nineine. Cet enrichissement local d’Ensconsine permet de lever l’auto-inhibition de la Khc dans l'ovocyte. Le complexe Khc/Ensconsine régule ensuite le recrutement des complexes d’ancrage des microtubules, les ncMTOCs, au cortex de l’ovocyte. Enfin, nos données montrent que cet ancrage des microtubules est un prérequis pour la mise en place d’un réseau de microtubules fonctionnel. Cette étude illustre comment le transport et le maintien d’activateurs clés, comme Ensconsine, peuvent induire efficacement l’activation spatiale de la Khc, pour remodeler le cytosquelette de microtubules.

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie pathogène opportuniste impliquée dans de nombreuses infections nosocomiales et dont la résistance aux antibiotiques est de plus en plus préoccupante. Cette thèse explore la trans-traduction, un mécanisme de contrôle de la qualité de la traduction permettant de libérer les ribosomes bloqués sur des ARNm tronqués. Ce processus repose sur l'action de la protéine SmpB et de l'ARNtm, qui assurent le recyclage canonique des complexes de traduction. L'inactivation de la trans-traduction réduit la croissance et la virulence de P. aeruginosa. Un système de criblage in vivo a été développé pour identifier des inhibiteurs de la trans-traduction. Il est composé de deux souches biosenseurs et repose sur la fluorescence rouge de la protoporphyrine IX. Cette étude met en avant la trans-traduction comme une cible thérapeutique potentielle contre P. aeruginosa, ouvrant la voie à de nouvelles stratégies antimicrobiennes.

Cette thèse explore les mécanismes de résistance aux inhibiteurs de BRAF dans le mélanome muté BRAF, en se focalisant sur le rôle des circARN. Grâce à des analyses transcriptomiques intégratives et à l’outil CirScan, des réseaux circARN-miARN-ARNm impliqués dans la résistance ont été identifiés. Parmi eux, les circARN tels que hsa_circ_0001610 et hsa_circ_0002805 agissent comme des éponges à miARN, séquestrant des miARN clés comme miR-29a-3p et miR-151a-3p. Cette séquestration favorise la surexpression de gènes critiques comme AhR, AXL et EGFR, responsables de la résistance et de l’agressivité tumorale. Les validations fonctionnelles in vitro montrent que la déplétion stable de ces circARN entraîne une restauration de la sensibilité aux inhibiteurs de BRAF et une réduction significative des capacités invasives des cellules tumorales. Ces résultats révèlent le rôle crucial des circARN dans la plasticité cellulaire et dans l’acquisition de la résistance thérapeutique, ouvrant la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques ciblant ces ARN non codants pour améliorer l’efficacité des traitements dans le mélanome métastatique.

La fusion ETV6::RUNX1 est associée à un bon pronostic de la leucémie aiguë lymphoblastique à cellules B (LAL B), le cancer pédiatrique le plus fréquent. Cependant, la rechute peut encore survenir chez 15 % des patients dans la moelle osseuse et dans les sites extramédullaires (gonades et système nerveux central), en raison d'une chimiorésistance. Les cellules leucémiques remodèlent le microenvironnement à leur profit, lui conférant ainsi un rôle protecteur pour les blastes grâce aux interactions intercellulaires et à une communication. L’équipe a montré un possible rôle de la tétraspanine 29 ou CD9 dans la migration des cellules de LAL B, ainsi que sa régulation par le facteur HIF-1ɑ répondant à l’hypoxie. L’objectif de ma thèse était d’étudier l’impact du microenvironnement sur la mobilité des cellules de LAL B. Notre modèle a montré une régulation de CD9 par les variations physico-chimiques du milieu. La migration induite par le sécrétome des cellules souches mésenchymateuses (CSM) s’est retrouvée bloquée par un anticorps anti-CD9 contrairement à l’adhérence. En revanche, le KO de CD9 n’a eu aucun effet sur la migration, ce qui pourrait s’expliquer par une perturbation des microdomaines enrichis en tétraspanines (MET) par la fixation de l’anticorps. Mes résultats suggèrent cependant qu’une autre tétraspanine pourrait être impliquée dans la migration des lignées de LAL B et fournissent une nouvelle piste d’étude pour la compréhension des mécanismes de migration. En parallèle, j’ai développé un modèle in vivo original pour l’étude des LAL B, la membrane chorio-allantoïque (CAM) d’embryon de poulet. J’ai fait la preuve de concept de la prise de greffe des lignées de LAL B sur la CAM mais la migration dans les tissus est beaucoup plus faible voire non détectable.

L'holoprosencéphalie (HPE) est une maladie rare qui affecte le développement de la ligne médiane du cerveau antérieur dès les premiers stades embryonnaires, rendant son diagnostic moléculaire complexe. Elle résulte principalement d’altérations génétiques entraînant une réduction de l'activité de la voie de signalisation Sonic Hedgehog (SHH). Cependant, un diagnostic moléculaire précis n’est possible que pour 30% des patients, ce qui souligne l’importance de développer des nouvelles approches diagnostiques. Le principal obstacle réside dans l'impossibilité d'accéder au tissu primaire affectée par la pathologie, soit le neuroectoderme antérieur. Pour surmonter cet obstacle, j’ai mis au point un modèle in vitro du développement du neuroectoderme antérieur en utilisant des cellules souches pluripotentes induites. Ce modèle m’a permis de produire des données transcriptomiques permettant d’évaluer les impacts moléculaires de la déficience en SHH et de définir des signatures transcriptomiques décrivant les variations de l'activité de la voie SHH pouvant être corrélées à la sévérité des phénotypes d’HPE. Ce travail a également révélé de nouveaux gènes co-exprimés et régulés par SHH, qui pourraient constituer de nouveaux marqueurs génétiques de l'HPE. Ces avancées ouvrent la voie à la création d’outils de diagnostic innovants, visant à améliorer la précision du diagnostic pour les patients atteints d'HPE.

La division cellulaire est un processus fondamental à la vie, assurant la répartition de l’ADN lors de la mitose. Au cœur de ce processus se trouve le fuseau, une structure composée principalement de microtubules. Son assemblage et son fonctionnement corrects sont essentiels à la stabilité génomique, car les défauts de ségrégation des chromosomes peuvent entraîner une aneuploïdie, associée à diverses maladies. Malgré des progrès significatifs dans notre compréhension de l'assemblage et l’organisation du fuseau, son architecture détaillée reste en partie incomprise à cause de ses dimensions, sa densité en microtubules et sa variabilité inter-espèces. Cependant, ces variations offrent également l'opportunité d'explorer comment l'architecture du fuseau s'adapte aux contraintes spécifiques de chaque espèce. Dans ce contexte, ma thèse visait à étudier l'architecture du fuseau de X. laevis et X. tropicalis en utilisant la microscopie d'expansion (ExM), qui permet l’agrandissement physique des échantillons pour améliorer la résolution. En adaptant l’ExM aux fuseaux assemblés en extraits d’ovocytes de xénopes, j'ai apporté une analyse détaillée de leur organisation, révélant des différences clés spécifiques à chaque espèce concernant la taille et la distribution des bundles de microtubules. Ces différences peuvent refléter des adaptations aux environnements cellulaires spécifiques à chaque espèce, contribuant à une meilleure compréhension de la régulation de l’architecture des fuseaux.

Grâce à diverses techniques, notamment la microscopie et la biologie moléculaire, la chromatine a été décrite comme une structure hiérarchique à plusieurs échelles. Toutefois, ce modèle bien défini a été remis en question par des découvertes récentes suggérant que les fibres de chromatine soient plutôt disposées de manière irrégulière dans le noyau. De plus, la structure de la chromatine, au lieu d'être rigide et régulière, semble comme une structure plastique qui peut être réorganisée à différentes échelles pour remplir diverses fonctions nucléaires. En particulier, dans le contexte des lésions à l'ADN, l'activation de la réponse aux dommages de l'ADN (DDR) modifie l'organisation de la chromatine afin de faciliter l'accès aux lésions et de restaurer l'intégrité génomique avec précision. Ce processus de remodelage de la chromatine implique de nombreux acteurs de la réparation de l'ADN.Parmi ceux-ci, l'ADP-ribosylation, une modification post-traductionnelle, favorise le remodelage de la chromatine aux premiers stades de la DDR, soit en modifiant les histones, soit en recrutant plusieurs remodeleurs de la chromatine. Au cours de ma thèse, par le biais de la microscopie de super-resolution, j'ai obtenu une description préliminaire à l’échelle du nucleosome de la structure de la chromatin et de son remodelage à proximité des sites de lésions de l'ADN. Par ailleurs, grâce à l’utilisation de méthodes d’imagerie de cellules vivantes, j'ai pu déterminer le rôle de l'ADP-ribosylation dans le recrutement du complexe de remodelage de la chromatine ACF aux dommages à l’ADN. Enfin, j'ai examiné les fonctions potentielles des complexes de remodelage ACF et CHRAC au cours la réparation de l'ADN.

Les ARN non-codants, longtemps considérés comme des débris de la transcription, représentent une grande partie du transcriptome humain et jouent des rôles fonctionnels importants. Parmi eux, les ARN circulaires (circARN) se distinguent par leur stabilité et leur capacité à agir comme des éponges à microARN (miARN), modulant ainsi indirectement l’expression génique et influençant la plasticité cellulaire. Le mélanome cutané, l’un des cancers de la peau les plus agressifs, est associé à la mutation BRAFV600E dans 50% des cas. Bien que des thérapies ciblées soient disponibles et que leur efficacité soit encourageante, des mécanismes de résistance apparaissent dans la plupart des cas. L’ensemble de ces observations soulignent la nécessité de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à cette résistance, en particulier ceux impliquant les circARN dans la plasticité cellulaire tumorale. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous avons développé Cirscan, une méthode bio-informatique innovante capable d’inférer automatiquement des réseaux circARN-miARN-ARNm à partir de données transcriptomiques humaines multi-niveaux, et d’identifier des mécanismes d’éponges, actifs dans une condition spécifique (Fraboulet et al. 2024). Appliqués à des données de mélanome cutané et à d’autres types de cancers, les réseaux identifiés contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes de résistance aux traitements, et soulignent l’importance des circARN dans la plasticité cellulaire tumorale. Combinés à des validations expérimentales, ces résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour l’utilisation des circARN en tant que biomarqueurs et cibles thérapeutiques potentielles.