Potentiel évolutif de l'hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor) : plasticité phénotypique et variation génétique dans un contexte d'hétérogénéité environnementale

Les changements environnementaux actuels entrainent des modifications importantes dans les pressions de sélection qui agissent sur les populations naturelles. Cependant, la capacité de réponse des populations à ces modifications et l’importance relative des différents mécanismes comme la plasticité phénotypique et les changements de la composition génétique des populations restent encore trop peu connus. L’objectif général de ma thèse était donc d’évaluer les rôles de la plasticité phénotypique et de la variation génétique sur le potentiel évolutif en population naturelle. Pour ce faire, j’ai utilisé comme modèle d’étude l’Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor), un passereau migrateur qui est suivi dans le Sud du Québec depuis 2004 dans un environnement hétérogène. Dans un premier temps (chapitre 2), j’ai évalué les déterminants environnementaux de la date de ponte et évalué leurs effets à des niveaux individuels et populationnels de plasticité phénotypique. Comme observé chez de nombreuses espèces aviaires, la température avait un effet important sur la synchronisation de la ponte, similaire au niveau individuel et populationnel, avec les dates de ponte plus hâtive lorsque les températures étaient plus chaudes. Par contre, ces relations semblaient contraintes par la densité locale d’hirondelles, considérée dans ce système d’étude comme un indice de la qualité de l’environnement. Plus précisément, les réponses plastiques à la température étaient moins prononcées à faible densité, c’est-à-dire dans les habitats plus contraignants. Ces résultats suggèrent donc que malgré la présence de plasticité phénotypique chez une espèce donnée, son efficacité pour pallier les changements climatiques peut être inégale entre les populations. Dans un deuxième temps (chapitre 3), je me suis intéressée à 4 gènes candidats liés à la phénologie (CLOCK, NPAS2, ADCYAP1 et CREB1) montrant de la variation de type courtes répétitions en tandem, et à leur relation avec deux traits phénologiques, la date de ponte et le temps d’incubation. Ces analyses ont montré plusieurs relations entre la variation observée à ces gènes et celle des traits phénologiques étudiés, dans la plupart des cas en interaction avec des variables environnementales (densité locale, latitude ou température printanière). Par exemple, les femelles avec en moyenne des allèles plus courts au gène CLOCK pondaient plus tôt que celles avec des allèles plus longs, une relation plus marquée à densité locale élevée. Les différents résultats suggèrent l’importance que peuvent prendre les interactions génotype-environnement, qui sont rarement prises en compte dans les études de gènes candidats, et qui pourraient expliquer une partie des résultats discordants entre les celles-ci. Dans un troisième temps (chapitre 4), j’ai vérifié la faisabilité d’une étude en génétique quantitative avec les données récoltées dans le système d’étude utilisée, caractérisé par un fort taux de reproduction hors couple et un faible recrutement des oisillons. Plus précisément, j’ai testé à l’aide de données empiriques et simulées la précision et l’exactitude des estimations d’héritabilité et de corrélations génétiques pour trois types de traits, morphologiques, reproducteurs et d’oisillons. Les résultats suggéraient un manque de précision important pour les traits morphologiques et reproducteurs, de même que des biais considérables lors de l’utilisation du pédigrée social plutôt que du pédigrée génétique. Ces analyses révèlent entre autres l’utilité des simulations pour tester adéquatement la faisabilité d’une étude en génétique quantitative sur une population donnée. Dans une dernière étude (chapitre 5), j’ai documenté les effets de l’hétérogénéité environnementale et de l’utilisation de différentes approches de génétique quantitative sur les prédictions de réponses évolutives en population naturelle. Plus particulièrement, cette étude s’est concentrée sur trois traits morphologiques (masse, longueur de l’aile et du tarse) mesurés à différents moments au cours du développement des oisillons. Les différentes analyses ont montré une sélection plus forte à faible densité locale pour la masse à 12 jours ainsi que des variations dans les composantes de variances phénotypiques selon la qualité de l’environnement (densité locale faible ou élevée) pour la plupart des combinaisons trait-âge étudiées. Il en résultait une tendance à des réponses évolutives prédites plus grandes à faible densité locale. Par contre, les prédictions obtenues avec l’équation du reproducteur et le second théorème de la sélection différaient fréquemment, et contrastaient grandement avec les tendances phénotypiques observées. En somme, les résultats de ma thèse suggèrent que les possibilités d’ajustement aux changements environnementaux par la plasticité phénotypique et d’adaptation par des changements génétiques entre les générations peuvent varier selon l’environnement expérimenté par une population. Mes recherches contribuent à une meilleure compréhension des facteurs et mécanismes influençant la persistance à long terme des populations naturelles face aux modifications dans les pressions de sélection.

Développement, validation et nouvelles applications d’un modèle d’analyse des modes normaux basé sur la séquence et la structure de protéines

Les protéines existent sous différents états fonctionnels régulés de façon précise par leur environnement afin de maintenir l‘homéostasie de la cellule et de l‘organisme vivant. La prévalence de ces états protéiques est dictée par leur énergie libre de Gibbs alors que la vitesse de transition entre ces états biologiquement pertinents est déterminée par le paysage d‘énergie libre. Ces paramètres sont particulièrement intéressants dans un contexte thérapeutique et biotechnologique, où leur perturbation par la modulation de la séquence protéique par des mutations affecte leur fonction. Bien que des nouvelles approches expérimentales permettent d‘étudier l‘effet de mutations en haut débit pour une protéine, ces méthodes sont laborieuses et ne couvrent qu‘une fraction de l‘ensemble des structures primaires d‘intérêt. L‘utilisation de modèles bio-informatiques permet de tester et générer in silico différentes hypothèses afin d‘orienter les approches expérimentales. Cependant, ces méthodes basées sur la structure se concentrent principalement sur la prédiction de l‘enthalpie d‘un état, alors que plusieurs évidences expérimentales ont démontré l‘importance de la contribution de l‘entropie. De plus, ces approches ignorent l‘importance de l‘espace conformationnel protéique dicté par le paysage énergétique cruciale à son fonctionnement. Une analyse des modes normaux peut être effectuée afin d‘explorer cet espace par l‘approximation que la protéine est dans une conformation d‘équilibre où chaque acide aminé est représenté par une masse régie par un potentiel harmonique. Les approches actuelles ignorent l‘identité des résidus et ne peuvent prédire l‘effet de mutations sur les propriétés dynamiques. Nous avons développé un nouveau modèle appelé ENCoM qui pallie à cette lacune en intégrant de l‘information physique et spécifique sur les contacts entre les atomes des chaînes latérales. Cet ajout permet une meilleure description de changements conformationnels d‘enzymes, la prédiction de l‘effet d‘une mutation allostérique dans la protéine DHFR et également la prédiction de l‘effet de mutations sur la stabilité protéique par une valeur entropique. Comparativement à des approches spécifiquement développées pour cette application, ENCoM est plus constant et prédit mieux l‘effet de mutations stabilisantes. Notre approche a également été en mesure de capturer la pression évolutive qui confère aux protéines d‘organismes thermophiles une thermorésistance accrue.

L’organisation Opale : comment un modèle d'organisation influence-t-il l'intégration du développement durable?

Depuis plus d’un siècle, les organisations dominent par d’imposantes structures hiérarchiques et bureaucratiques. Cependant, face aux pressions externes et à l’environnement de plus en plus complexe, certaines adoptent peu à peu des pratiques plus flexibles afin de s’adapter à ce contexte. Un modèle organisationnel se démarque particulièrement en modifiant complètement son design et sa culture. Développée par Frédéric Laloux, l’organisation Opale se base sur trois principes : l’autogouvernance, la plénitude ainsi que la raison d’être évolutive. Le modèle Opale intègre un nouveau paradigme organisationnel axé sur une vision du monde véritablement intégrée, systémique et cohésive. Face à ce renouveau, cette étude vise à comprendre l’influence de ce modèle vis-à-vis de l’intégration du développement durable. Ainsi, cet essai a permis de déterminer si les principes de durabilité sont appliqués à l’intérieur de ce modèle. En complément, l’application des principes a aussi été évaluée auprès de deux cas au Québec similaires au modèle Opale. Pour ce faire, un outil d’analyse qualitative a été développé avec l’aide de deux cadres en développement durable reconnus et largement appliqués en organisations, soit le Framework for Strategic Sustainable Development et le référentiel québécois BNQ 21000. La grille d’analyse inclut des critères à l’intérieur de quatre sphères du développement durable : gouvernance, sociale, environnementale et économique. Deux analyses distinctes ont donc été réalisées : la première porte sur le modèle Opale et l’autre traite des deux cas d’organisation comparables au modèle Opale. Suite aux évaluations, les constats sont sensiblement les mêmes. Les résultats démontrent que l’intégration se manifeste davantage dans les sphères de gouvernance et sociale, mais nettement moins à l’intérieur de celles économique et environnementale. En effet, la sphère sociale reçoit un résultat parfait et la sphère de gouvernance se démarque principalement auprès des critères d’influence et de transparence. Étant donné que l’organisation Opale est au service d’une raison d’être évolutive, la dimension économique reçoit une attention différente. En effet, chez les organisations Opales, l’économie n’est jamais une finalité en soi, mais un moyen pour réaliser leur mission. Sur le plan environnemental, on remarque que seules les initiatives qui émergent des individus permettent l’intégration de cette sphère dans les cas où celle-ci ne fait pas formellement partie de l’énoncé de mission. Enfin, suite aux résultats, des pistes de réflexion additionnelles seraient intéressantes à poursuivre. D’abord, il s’avèrerait pertinent d’explorer davantage la gouvernance interne dans l’intégration du développement durable, car son influence semble être éminente. De plus, il apparait pertinent de cibler des méthodes permettant l’intégration de façon soutenue de la sphère environnementale. D’autres discussions traitent de l’impact d’une centralisation autour de la raison d’être, des démarches permettant d’intégrer le développement durable et leur potentiel, l’ampleur d’une transition d’un modèle traditionnel à un modèle autogéré ainsi que la possibilité de combiner ces modèles.

Développement d'une librairie de code et d'outils bio-informatiques faciliant l'analyse de grandes quantités de données génomiques

Thèse décrivant l'écriture d'outils spécialisés facilitant l'analyse de grandes quantités de données provenant de technologie de séquencage haut débit.

Alterations of the epigenome in brain cancer: loss of 5-hydroxymethylcytosine

Abstract : 5-Methylcytosine is an epigenetic mark, which can be oxidized to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in DNA by ten-eleven translocation (TET) oxygenases. It is an initial step in the demethylation of 5mC. Levels of 5hmC is relatively high in the brain compared to other organs, but these levels are known to be significantly reduced during the development of a brain tumor, especially in glioblastoma multiforme (GBM). However, no known mechanisms may fully explain this abnormality. The objectives of my project were to (1) understand the implications of the demethylation pathway mediated by TET, and (2) gain a deeper insight in the epigenetic make-up of brain tumors. (1) U87 cells were incubated with 5mC, 5hmC, 5-formylcytosine (5fC) or co-incubated of 5hmC with 3,4,5,6-tetrahydro-2’-deoxyuridine (dTHU) over a timeline of 0, 24, 48 and 96 hours. (2) 130 brain tumors (GBM= 79; grade II/III= 51) were obtained directly from surgery and immediately suspended in DNA extraction buffer. Both cell samples and tumor tissues underwent DNA extraction and DNA digestion protocols. The percent per cytosine (%/C) was obtained by quantification of 5mC, 5hmC, 5fC, 5-hydroxymethyluracil (5hmU) and 5formyluracil (5fU) using LC-MS/MS. (1) Cellular incubations showed that it is possible to increase levels of 5hmC in DNA, but also a slight increase in 5mC levels throughout the experiment. 5HmC levels dramatically increased by 1.9-fold after 96h. On the other hand, no increase was observed in 5fC levels. Both 5hmC and 5fC incubations were accompanied by high increases in 5hmU and 5fU levels respectively. The addition of dTHU to the 5hmC incubation decreased 5hmU incorporation by 65%. (2) The average levels of 5mC, 5hmC and 5fC, in brain tumors, were 4.0, 0.15 and 0.021 %/C respectively. 5HmU and 5fU levels were present at comparable levels of 5hmC and 5fC. Levels of 5hmC, 5hmU and 5fU were significantly lower in the DNA of GBM specimens. There was a strong correlation between 5mC with 5hmC and 5fC in GBM, but this was absent in low grade tumors. The presence of 5hmU and 5fU in brain tumor and the increase in their levels during cell incubations indicate a deamination activity in these cancerous cells, which may impinge on the cellular levels of 5hmC, in particular. Furthermore, upon the incubations with 5hmC, downstream levels of 5fC did not increase suggesting a TET malfunction. TET activity is maintained in GBMs, but impaired in low grade tumors due to isocitrate dehydrogenase-1 (IDH1) mutations. Therefore, in brain tumors, a strong deamination activity and TET impairment may lead to epigenetic reduction of 5hmC.