Genomic determinants of the efficiency of internal ribosomal entry sites of viral and cellular origin

Summary : Internal ribosome entry sites (IRES) are used by viruses as a strategy to bypass inhibition of cap-dependent translation that commonly results from viral infection. IRES are also used in eukaryotic cells to control mRNA translation under conditions of cellular stress (apoptosis, heat shock) or during the G2 phase of the cell cycle when general protein synthesis is inhibited. Variation in cellular expression levels has been shown to be inherited. Expression is controlled, among others, by transcriptional factors and by the efficiency of cap-mediated translation and ribosome activity. We aimed at identifying genomic determinants of variability in IRES-mediated translation of two representative IRES [Encephalomyocarditis virus (EMCV) and X-linked Inhibitor-of-Apoptosis (XIAP) IRES]. We used bicistronic lentiviral constructions expressing two fluorescent reporter transgenes. Lentiviruses were used to transduce seven different laboratory cell lines and B lymphoblastoid cell lines from the Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH; 15 pedigrees; n=209); representing an in vitro approach to family structure allowing genome scan analyses. The relative expression of the two markers was assessed by FACS. IRES efficiency varies according to cellular background, but also varies, for a same cell type, among individuals. The control of IRES activity presents an inherited component (h2) of 0.47 and 0.36 for EMCV and XIAP IRES, respectively. A genome scan identified a suggestive Quantitative Trait Loci (LOD 2.35) involved in the control of XIAP IRES activity. Résumé : Les sites internes d'entrée des ribosomes (IRES = internal ribosome entry sites) sont utilisés par les virus comme une stratégie afin d'outrepasser l'inhibition de traduction qui résulte communément d'une infection virale. Les IRES sont également utilisés par les cellules eucaryotes pour contrôler la traduction de l'ARN messager dans des conditions de stress cellulaire (apoptose, choc thermique) ou durant la phase G2 du cycle cellulaire, situations durant lesquelles la synthèse générale des protéines est inhibée. La variation des niveaux d'expression cellulaire de transcription est un caractère héréditaire. L'expression des gènes est contrôlée entre autre par les facteurs de transcription et par l'efficacité de la traduction initiée par la coiffe ainsi que par l'activité des ribosomes. Durant cette étude nous avons eu pour but d'identifier les déterminants génomiques responsables de la variabilité de la traduction contrôlée par l'IRES. Ceci a été effectué en étudiant deux IRES représentatifs : l'IRES du virus de l'encéphalomyocardite (EMCV) et l'IRES de l'inhibiteur de l'apoptose XIAP (X-linked Inhibitor-of-Apoptosis). Nous avons utilisés des lentivirus délivrant un transgène bicistronique codant pour deux gènes rapporteurs fluorescents. Ces lentivirus ont été utilisés pour transduire sept différentes lignées cellulaires de laboratoire et des lignées cellulaires lymphoblastoïdes B du Centre d'Etude du Polymorphisme Humain (CEPH; 15 pedigrees; n=209) qui représentent une approche in vitro de la structure familiale et qui permettent des analyses par balayage du génome. L'expression relative des deux marqueurs fluorescents a été analysée par FACS. Nos résultats montrent que l'efficacité des IRES varie en fonction du type de cellules. Il varie aussi, pour le même type de cellules, selon les individus. Le contrôle de l'activité de l'IRES est un caractère héritable (héritabilité h2) de 0.47 et 0.36 pour les IRES de EMCV et XIAP respectivement. Le balayage du génome a permis l'identification d'un locus à effets quantitatifs [QTL Quantitative Trait Loci (LOD 2.35)] impliqué dans le contôle de l'activité de l'IRES de XIAP.

The role of Malt1 proteolytic activity in T cell activation and lymphoma development

Abstract Long term contact with pathogens induces an adaptive immune response, which is mainly mediated by T and B cells. Antigen-induced activation of T and B cells is an important event, since it facilitates the transition of harmless, low proliferative lymphocytes into powerful and fast expanding cells, which can, if deregulated, be extremely harmful and dangerous for the human body. One of the most important events during lymphocyte activation is the induction of NF-xB activity, a transcription factor that controls not only cytokine secretion, but also lymphocyte proliferation and survival. Recent discoveries identified the CBM complex as the central regulator of NF-xB activity in lymphocytes. The CBM complex consists of the three proteins Carma1, Bcl10 and Malt1, in which Carma1 serves as recruitment platform of the complex and Bcl10 as an adaptor to recruit Malt1 to this platform. But exactly how Malt1 activates NF-x6 is still poorly understood. We discovered that Malt1 is a protease, which cleaves its interaction partner Bcl10 upon T and B cell stimulation. We mapped the Bcl10 cleavage site by single point mutations as well as by a proteomics approach, and used this knowledge to design a fluorogenic Malt1 reporter peptide. With this tool were we able to the first time demonstrate proteolytic activity of Malt1 in vitro, using recombinant Malt1, and in stimulated T cells. Based on similarities to a metacaspase, we designed a Malt1inhibitor, which allowed unto investigate the role of Malt1 activity in T cells. Malt1-inhibited T cells showed a clear defect in NF-xB activity, resulting in impaired IL-2 cytokine secretion levels. We also found a new unexpected role for Bcl10; the blockade of Bcl10 cleavage resulted in a strongly impaired capability of stimulated T cells to adhere to the extracellular matrix protein fibronectin. Because of the central position of the C8M complex, it is not surprising that different lymphomas show abnormal expressions of Carma1, Bcl10 and Malt1. We investigated the role of Malt1 proteolytic activity in the most aggressive subtype of diffuse large B cell lymphomas called ABC, which was described to depend on the expression of Carmal, and frequently carries oncogenic Carmal mutations. We found constitutive high Malt1 activity in all tested ABC cell lines visualized by detection of cleavage products of Malt1 substrates. With the use of the Malt1-inhibitor, we could demonstrate that Malt-inhibition in those cells had two effects. First, the tumor cell proliferation was decreased, most likely because of lower autocrine stimulation by cytokines. Second, we could sensitize the ABC cells towards cell death, which is most likely caused by reduced expression of prosurvival NF-xB target gens. Taken together, we identified Malt1 as a protease in T and B cells, demonstrated its importance for NF-xB signaling and its deregulation in a subtype of diffuse large B cell lymphoma. This could allow the development of a new generation of immunomodulatory and anti-cancer drugs. Résumé Un contact prolongé avec des pathogènes provoque une réponse immunitaire adaptative qui dépend principalement des cellules T et 8. L'activation des lymphocytes T et B, suite à la reconnaissance d'un antigène, est un événement important puisqu'il facilite la transition pour ces cellules d'un état de prolifération limitée et inoffensive à une prolifération soutenue et rapide. Lorsque ce mécanisme est déréglé ìl peut devenir extrêmement nuisible et dangereux pour le corps humain. Un des événement les plus importants lors de l'activation des lymphocytes est l'induction du facteur de transcription NFxB, qui organise la sécrétion de cytokines ainsi que la prolifération et la survie des lymphocytes. Le complexe CBM, composé des trois protéines Carmai, Bc110 et Malt1, a été récemment identifié comme un régulateur central de l'activité de NF-x8 dans les lymphocytes. Carma1 sert de plateforme de recrutement pour ce complexe alors que Bc110 permet d'amener Malt1 dans cette plateforme. Cependant, le rôle exact de Malt1 dans l'activation de NF-tcB reste encore mal compris. Nous avons découvert que Malt1 est une protéase qui clive son partenaire d'interaction BcI10 après stimulation des cellules T et B. Nous avons identifié le site de clivage de BcI10 par une série de mutations ponctuelles ainsi que par une approche protéomique, ce qui nous a permis de fabriquer un peptide reporteur fluorogénique pour mesurer l'activité de Malt1. Grâce à cet outil, nous avons démontré pour la première fois l'activité protéolytique de Malt1 in vitro à l'aide de protéines Malt1 recombinantes ainsi que dans des cellules T stimulées. La ressemblance de Malt1 avec une métacaspase nous a permis de synthétiser un inhibiteur de Malt1 et d'étudier ainsi le rôle de l'activité de Malt1 dans les cellules T. L'inhibition de Malt1 dans les cellules T a révélé un net défaut de l'activité de NF-x8, ayant pour effet une sécrétion réduite de la cytokine IL-2. Nous avons également découvert un rôle inattendu pour Bcl10: en effet, bloquer le clivage de Bcl10 diminue fortement la capacité d'adhésion des cellules T stimulées à la protéine fïbronectine, un composant de la matrice extracellulaire. En raison de la position centrale du complexe CBM, il n'est pas étonnant que le niveau d'expression de Carmai, Bcl10 et Malt1 soit anormal dans plusieurs types de lymphomes. Nous avons examiné le rôle de l'activité protéolytique de Malt1 dans le sous-type le plus agressif des lymphomes B diffus à grandes cellules, appelé sous-type ABC. Ce sous-type de lymphomes dépend de l'expression de Carmai et présente souvent des mutations oncogéniques de Carma1. Nous avons démontré que l'activité de Malt1 était constitutivement élevée dans toutes les lignées cellulaires de type ABC testées, en mettant en évidence la présence de produits de clivage de différents substrats de Malt1. Enfin, l'utilisation de l'inhibiteur de Malt1 nous a permis de démontrer que l'inhibition de Malt1 avait deux effets. Premièrement, une diminution de la prolifération des cellules tumorales, probablement dûe à leur stimulation autocrine par des cytokines fortement réduite. Deuxièmement, une sensibilisation des cellules de type ABC à ia mort cellulaire, vraisemblablement causée par l'expression diminuée de gènes de survie dépendants de NF-tcB. En résumé, nous avons identifié Malt1 comme une protéase dans les cellules T et B, nous avons mis en évidence son importance pour l'activation de NF-xB ainsi que les conséquences du dérèglement de l'activité de Malt1 dans un sous-type de lymphome B diffus à larges cellules. Notre étude ouvre ainsi la voie au développement d'une nouvelle génération de médicaments immunomodulateurs et anti-cancéreux.

Development of Ewing's sarcoma from primary bone marrow-derived mesenchymal stem cells

SUMMARY : Ewing's sarcoma is a member of Ewing's family tumors (ESPY) and the second most common solid bone and soft tissue malignancy of children and young adults. It is associated in 85% of cases with the t(11;22)(q24:q12) chromosomal translocation that generates fusion of the 5' segment of the EWSR1 gene with the 3' segment of the ETS family gene FLI-1. The EWSR1-FLI-1 fusion protein behaves as an aberrant transcriptional activator and is believed to contribute to ESFT development. However, EWSR1-FLI-1 induces growth arrest and apoptosis in normal fibroblasts, and primary cells that are pemissive for its putative oncogenic properties have not been discovered, hampering basic understanding of ESFT biology. Here, we show that EWSR1-FLI-1 alone can transform mouse primary bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells and generate tumors that display hallmarks of Ewing's sarcoma, including a small round cell phenotype, expression of ESFT-associated markers, insulin like growth factor-I dependence, and induction or repression of numerous EWSR1-FLI-1 target genes. Consistent with this finding, we tested the possibility that human mesenchymal stem cells (hMSC) might also provide a permissive cellular environment for EWSR1-FLI-1, and could represent the first adequate primary human cellular background for the oncogenic properties of the fusion protein. Indeed, expression of EWSR1-FLI-1 in human mesenchymal stem cells (hMSC) was not only stably maintained without inhibiting proliferation, but induced a gene expression profile bearing striking similarity to that of ESFT, including genes that are among the highest ESFT discriminators. Expression of EWSR1-FLI-1 in hMSCs may recapitulate the initial steps of Ewing's sarcoma development, allowing identification of genes that play an important role early in its pathogenesis. Among relevant candidate transcripts induced by EWSR1-FL/-1 in hMSC we found the polycomb group gene EZH2 which we show to play a critical role in Ewing's sarcoma growth. These observations provide the first identification of candidate primary cells from which ESFTs originate and suggest that EWSR1-FLI-1 expression may constitute the initiating event in ESFT pathogenesis. Le sarcome d' Ewing est un membre de la famille des tumeurs Ewing (ESFT) et représente la deuxième tumeur maligne solide de l'os et des tissus mous chez les enfants et les jeunes adultes. Cette tumeur est associée dans 85% des cas avec la translocation chromosomique t(11;22)(g24:g12), qui génère la fusion entre le segment 5' du gène EWSR1 avec le segment 3' du gène FLI-1, appartenant à la famille des facteurs de transcription ETS. La protéine de fusion EWSR1-FLI-1 qui en dérive joue le rSle d'un facteur de transcription aberrant, et est supposée contribuer de manière décisive au processus de développement des ESFTs. Néanmoins, l'expression de EWSR1-FLI-1 dans des fibroblastes normaux induit un arrêt de croissance et leur apoptose, et les cellules primaires permissives pour les propriétés oncogéniques attribuées à la translocation n'ont pas encore été identifiées, empêchant la compréhension de la biologie de base du sarcome d'Ewing. Dans ce travail on montre que l'expression de EWSR1-FLI-1 uniquement est capable de transformer des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse de la souris, pour générer des tumeurs qui présentent les caractéristiques du sarcome d' Ewing humain, et notamment une morphologie de petites cellules bleues et rondes, l'expression de marqueurs associés aux ESFTs, une dépendance du facteur de croissance IGF-1, et l'induction ou la répression de nombreux gènes cibles connus de EWSR1-FLI-1. Sur la base de ces observations, on a testé la possibilité que les cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSCs) puissent aussi fournir un environnement cellulaire permissif pour EWSR1-FLI-1 ; et représenter le premier background cellulaire humain adéquat pour la manifestation du pouvoir oncogénique de la protéine de fusion. En effet, l'expression de EWSR1-FLI-1 dans des cellules souches mésenchymateuses humaines s'est révélée non seulement maintenue, mais elle a induit un profil d'expression génétique étonnamment similaire à celui des ESFTs humains, incluant les gènes qui ont été rapportés comme étant les plus discriminatifs pour ces tumeurs. L'expression de EWSR1-FLI-1 dans les hMSCs pourrait récapituler les étapes initiales du développement du sarcome d' Ewing, et de ce fait consentir à identifier les gènes qui jouent un rôle crucial dans sa pathogenèse précoce. Parmi les transcrits relevant indults par EWSR1-FL/-9 dans les hMSCs nous avons découvert le gène du groupe des polycomb EZH2, que nous avons par la suite démontré jouer un rôle essentiel dans la croissance du sarcome de Ewing. Ces observations apportent pour la première fois l'identification d'une cellule primaire candidate pour représenter la cellule d'origine des ESFTs, et en même temps suggèrent que l'expression de EWSR1-FLI-1 peut constituer l'événement initial dans la pathogenèse du sarcome d' Ewing.

Clinical and pharmacogenetic study on smoking and smoking cessation

Currently, smoking cessation represents one of the main strategies to reduce the incidence of tobacco-related diseases in the population. Smoking can also influence pharmacotherapy through several pharmacokinetic or pharmacodynamic interactions. Some of the most concerned drugs are those metabolized by the cytochrome P450 (CYP) 1A2 enzyme (e.g. caffeine, theophylline, clozapine, olanzapine, duloxetine), whose activity is induced by the polycyclic aromatic hydrocarbons found in tobacco smoke. This can result in a clinically significant decrease in the pharmacological effect of the drugs and the need of higher doses in smokers. Conversely, upon smoking cessation, toxic plasma levels of the drugs can be reached. The main objective of this thesis was to study the interindividual variability in CYP1A2 induction in a large cohort of smokers, by measuring CYP1A2 activity before smoking cessation and one month later in continuously abstinent subjects. For this purpose, a clinical study was conducted, including 194 smokers from the general population who wished to participate in a smoking cessation program and therefore received medical counseling and substitution therapy (nicotine or varenicline). An analytical method for the simultaneous quantification of nicotine, its metabolites and varenicline in plasma was developed and validated using ultra performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. This method was used to confirm abstinence at different time points during the follow-up. Moreover, it was used to determine plasma levels of the smoking cessation drugs, to be used in the study of their pharmacogenetics, which was the secondary objective of this thesis. High interindividual variability in CYP1A2 induction by smoking was observed, ranging from no change to approximately 7 times decreased CYP1A2 activity after smoking cessation. Several clinical and genetic factors were investigated in an attempt to explain this variability. Firstly, a significant influence of CYP1A2*1F and *1D alleles, of contraceptive use and of the number of cigarettes smoked per day on CYP1A2 induced activity was observed, and of CYP1A2*1F and the use of contraceptives on the basal activity. But no influence of these factors was found on CYP1A2 inducibility. Given that known genetic polymorphisms in CYP1A2 gene were shown to explain only poorly the observed variations in activity, additional genetic factors were studied. SNPs in the CYP oxidoreductase (POR) gene were found to influence CYP1A2 basal activity, but not the induction. Finally, a pathway-based approach allowed to identify SNPs in genes coding for nuclear receptors (CAR, RXRa, VDR, PXR) and induction-mediating receptors (AhR), which significantly influenced CYP1A2 inducibility and basal activity (SNPs in the gene coding for CAR and RXRa). As secondary objective of the study, the pharmacogenetics of nicotine and varenicline is being investigated. Therefore, the nicotine metabolite ratio is used in the attempt to better explain nicotine dependence and the failure/success of quitting smoking. A population pharmacokinetic model is being developed for varenicline, integrating clinical and genetic factors (genes coding for its metabolizing enzymes and transporters), with the purpose of trying to predict efficacy and side effects. These findings suggest that the influence of smoking on pharmacotherapy could be better managed by including clinical and possibly in the future genetic factors, in the assessment of the adaptations needed when a person starts or stops smoking.  - L'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci. Le tabagisme peut influencer la thérapie médicamenteuse par des interactions pharmacocinétiques ou pharmacodynamiques. Parmi les médicaments concernés, il y a ceux métabolisés par le cytochrome P450 (CYP) 1A2 (caféine, théophylline, clozapine, olanzapine, duloxétine, etc), dont l'activité enzymatique est induite par les hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans la fumée de cigarette. Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet pharmacologique du traitement et la nécessité d'augmenter les doses d'entretien chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, les taux plasmatiques des médicaments peuvent devenir toxiques. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 dans une large cohorte de fumeurs, par la mesure de l'activité du CYP1A2 avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement pharmacologique (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique pour la quantification simultanée de la nicotine, ses métabolites et la varénicline dans le plasma par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem à été développée et validée. Cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude et déterminer les taux plasmatiques des médicaments, dans le but d'étudier leur pharmacogénétique. Une grande variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 par la fumée a été observée, parfois sans changement et pouvant aller jusqu'à une diminution d'environ 7 fois l'activité du CYP1A2 après l'arrêt de la cigarette. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Tout d'abord, on a observé une influence significative: des allèles CYP1A2*1F et *1D, des contraceptifs et du nombre de cigarettes fumées par jour sur l'activité induite du CYP1A2, ainsi que l'influence de l'allèle *1F et des contraceptifs sur l'activité basale. Cependant, aucune influence de ces facteurs n'a été démontrée sur l'inductibilité du CYP1A2. Étant donné que les polymorphismes génétiques du CYP1A2 apportent peu de renseignements sur la variabilité de son activité, des facteurs génétiques supplémentaires ont été étudiés. Des polymorphismes dans le gène POR (CYP oxidoreductase) ont été associés à l'activité basale du CYP1A2, mais pas à l'induction. Finalement, une approche basée sur la voie de signalisation du CYP1A2 a permis d'identifier des polymorphismes dans des gènes codant pour des récepteurs nucléaires (CAR, RXRa, VDR, PXR) et d'autres liés à l'induction (AhR) qui influencent significativement l'inductibilité et l'activité basale (les SNPs du CAR et RXRa). L'objectif secondaire de cette étude était d'investiguer la pharmacogénétique de la nicotine et de la varénicline. Le ratio métabolique de la nicotine est utilisé pour mieux expliquer la dépendance à la nicotine et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Un modèle pharmacocinétique de population est en cours de développement pour la varénicline, intégrant des facteurs cliniques et génétiques (gènes codant pour ses enzymes de métabolisme et transporteurs), pour tenter de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la pharmacothérapie serait mieux gérée par l'inclusion des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, génétiques, dans l'évaluation des adaptations nécessaires lorsqu'une personne fume ou arrête de fumer.  - l'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci dans la population. Le tabagisme peut influencer les traitements médicamenteux, soit en modifiant leur élimination par l'organisme, soit en agissant sur leur mode d'action. Parmi les médicaments les plus concernés, on retrouve par exemple: la caféine, la théophylline, la clozapine, l'olanzapine, la duloxétine, dont l'élimination est accélérée par la fumée de cigarette (induction enzymatique). Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet du traitement et la nécessité d'en augmenter les doses chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, on observe un ralentissement de la fonction enzymatique, qui a pour conséquence une augmentation du taux de médicament dans le sang, pouvant devenir toxique. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier comment cette induction par le tabac varie dans une population de fumeurs, par la mesure de l'activité de l'enzyme avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement médicamenteux (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique a été mise au point pour mesurer la quantité de nicotine, de ses produits de dégradation et de la varénicline dans le sang des participants à l'étude. De plus, cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude. Une grande variabilité interindividuelle a été observée dans l'induction de l'enzyme par la fumée; il en résulte aucun changement d'activité chez certains sujets après l'arrêt de la cigarette, alors que pour d'autres elle peut être diminuée jusqu'à 7 fois. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Premièrement, une influence sur l'activité de l'enzyme a été observée pour les contraceptifs hormonaux et le nombre de cigarettes fumées par jour, ainsi que pour certaines variations génétiques dans le gène codant pour l'enzyme d'intérêt, mais il η y a pas eu d'influence sur l'induction. Par la suite, des variations génétiques dans d'autres gènes influençant le fonctionnement de l'enzyme ont été associées soit avec son activité, soit avec son induction par le tabac. Finalement, l'étude propose également d'investiguer si le métabolisme de la nicotine a une influence sur la dépendance, les symptômes de sevrage et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Des variations génétiques dans les gènes du métabolisme de la varénicline sont également étudiées en lien avec les quantités de varénicline mesurées dans le sang ainsi que les effets du médicament. Ceci permettra peut-être de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la thérapie médicamenteuse serait mieux gérée en tenant compte des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, de la génétique dans l'adaptation des traitements, que la personne soit fumeuse ou en phase d'arrêt.

CTCF-T, a paralogue of CTCF, directs sequence specific DNA methylation of the imprinting control region of Igf2/H19

SUMMARY Genomic imprinting is an epigenetic mechanism of transcriptional regulation that ensures restriction of expression of a subset of mammalian genes to a single parental allele. The best studied example of imprinted gene regulation is the Igf2/H19 locus, which is also the most commonly altered by loss of imprinting (LOT) in cancer. LOT is associated with numerous hereditary diseases and several childhood, and adult cancers. Differential expression of reciprocal H19 and 1gf2 alleles in somatic cells depends on the methylation status of the imprinting control region (ICR) which regulates binding of CTCF, an ubiquitously expressed 11-zinc finger protein that binds specifically to non-methylated maternal ICR and thereby attenuates expression of Igf2, while it does not bind to methylated paternal ICR, which enables Igf2 expression. Initial ICR methylation occurs during gametogenesis by an as yet unknown mechanism. The accepted hypothesis is that the event of differential maternal and paternal DNA methylation depends on germ-line specific proteins. Our Laboratory identified a novel 11-zinc-finger protein CTCF-T (also known as CTCFL and BORIS) that is uniquely expressed in the male germ-line and is highly homologous within its zinc-finger region with CTCF. The amino-acid sequences flanking the zinc-finger regions of CTCF and CTCF-T have widely diverged, suggesting that though they could bind to the same DNA targets (ICRs) they are likely to have different functions. Interestingly, expression of CTCF-T and CTCF is mutually exclusive; CTCF-T-positive (CTCF-negative) cells occur in the stage of spermatogenesis that coincides with epigenetic reprogramming, including de novo DNA methylation. In our study we demonstrate the role that CTCF-T plays in genomic imprinting. Here we show that CTCF-T binds in vivo to the ICRs of Igf2/H19 and Dlk/Gt12 imprinted genes. In addition, we identified two novel proteins interacting with CTCF-T: a protein arginine methyltransferase PRMT7 and an arginine-rich histone H2A variant that we named trH2A. These interactions were confirmed and show that the two proteins interact with the amino-teiminal region of CTCF-T. Additionally, we show interaction of the amino- terminal region of CTCF-T with histones H1, H2A and H3. These results suggest that CTCF-T is a sequence-specific DNA (ICR) binding protein that associates with histones and recruits PRMT7. Interestingly, PRMT7 has a histone-methyltransferase activity. It has been shown that histone methylation can mark chromatin regions thereby directing DNA-methylation; thus, our hypothesis is that the CTCF-T protein-scaffold directs PRMT7 to methylate histone(s) assembled on ICRs, which marks chromatin for the recruitment of the de novo DNA methyltransferases to methylate DNA. To test this hypothesis, we developed an in vivo DNA-methylation assay using Xenopus laevis' oocytes, where H19 ICR and different expression cDNAs, including CTCF-T, PRMT7 and the de novo DNA methyltransferases (Dnmt3a, Dnmt3b and Dnmt3L) are microinjected into the nucleus. The methylation status of CpGs within the H19 ICR was analysed 48 or 72 hours after injection. Here we demonstrate that CpGs in the ICR are methylated in the presence of both CTCF-T and PRMT7, while control oocytes injected only with ICR did not show any methylation. Additionally, we showed for the first time that Dnmt3L is crucial for the establishment of the imprinting marks on H19 ICR. Moreover, we confirmed that Dnmt3a and Dnmt3b activities are complementary. Our data indicate that all three Dnmt3s are important for efficient de novo DNA methylation. In conclusion, we propose a mechanism for the establishment of de novo imprinting marks during spermatogenesis: the CTCF-T/PRMT7 protein complex directs histone methylation leading to sequence-specific de novo DNA methylation of H19 ICR. RESUME L'empreinte génomique parentale est un mécanisme épigénétique de régulation transcriptionelle qui se traduit par une expression différentielle des deux allèles de certains gènes, en fonction de leur origine parentale. L'exemple le mieux caractérisé de gènes soumis à l'empreinte génomique parentale est le locus Igf2/H19, qui est aussi le plus fréquemment altéré par relaxation d'empreinte (en anglais: loss of imprinting, LOI) dans les cancers. Cette relaxation d'empreinte est aussi associée à de nombreuses maladies héréditaires, ainsi qu'à de nombreux cancers chez l'enfant et l'adulte. Dans les cellules somatiques, les différences d'expression des allèles réciproques H19 et Ig12 est sous le contrôle d'une région ICR (Imprinting Control Region). La méthylation de cette région ICR régule l'ancrage de la protéine à douze doigts de zinc CTCF, qui se lie spécifiquement à l'ICR maternel non-méthylé, atténuant ainsi l'expression de Igf2, alors qu'elle ne s'ancre pas à l'ICR paternel méthyle. Le mécanisme qui accompagne la méthylation initiale de la région ICR durant la gamétogenèse n'a toujours pas été élucidé. L'hypothèse actuelle propose que la différence de méthylation entre l'ADN maternel et paternel résulte de l'expression de protéines propres aux zones germinales. Notre laboratoire a récemment identifié une nouvelle protéine à douze doigts de zinc, CTCF-T (aussi dénommée CTCFL et BORRIS), qui est exprimée uniquement dans les cellules germinales mâles, dont la partie à douze doigts de zinc est fortement homologue à la protéine CTCF. La séquence d'acides aminés de part et d'autre de cette région est quant à elle très divergente, ce qui implique que CTCF-T se lie sans doute au même ADN cible que CTCF, mais possède des fonctions différentes. De plus, l'expression de CTCF-T et de CTCF s'oppose mutuellement; l'expression de la protéine CTCF-T (cellules CTCF-T positives, CTCF negatives) qui a lieu pendant la spermatogenèse coïncide avec la reprogrammation épigénétique, notamment la méthylation de novo de l'ADN. La présente étude démontre le rôle essentiel joué par la protéine CTCF-T dans l'acquisition de l'empreinte génomique parentale. Nous montrons ici que CTCF-T s'associe in vivo avec les régions ICR des loci Igf2/H19 et Dlk/Gt12. Nous avons également identifié deux nouvelles protéines qui interagissent avec CTCF-T : une protéine arginine méthyl transférase PRMT7, et un variant de l'histone H2A, riche en arginine, que nous avons dénommé trH2A. Ces interactions ont été analysées plus en détail, et confinnent que ces deux protéines s'associent avec la région N-terminale de CTCF-T. Aussi, nous présentons une interaction de la région N-terminale de CTCF-T avec les histones H1, H2, et H3. Ces résultats suggèrent que CTCF-T est une protéine qui se lie spécifiquement aux régions ICR, qui s'associe avec différents histones et qui recrute PRMT7. PRMT7 possède une activité méthyl-tansférase envers les histones. Il a été montré que la méthylation des histones marque certains endroits de la chromatine, dirigeant ainsi la méthylation de l'ADN. Notre hypothèse est donc la suivante : la protéine CTCF-T sert de base qui dirige la méthylation des histones par PRMT7 dans les régions ICR, ce qui contribue à marquer la chromatine pour le recrutement de nouvelles méthyl transférases pour méthyler l'ADN. Afin de valider cette hypothèse, nous avons développé un système de méthylation de l'ADN in vivo, dans des oeufs de Xenopus laevis, dans le noyau desquels nous avons mico-injecté la région ICR du locus H19, ainsi que différents vecteurs d'expression pour CTCF-T, PRMT7, et les de novo méthyl transférases (Dnmt3a, Dnmt3b et Dnmt3L). Les CpGs méthyles de la région ICR du locus H19 ont été analysé 48 et 72 heures après l'injection. Cette technique nous a permis de démontrer que les CpGs de la région ICR sont méthyles en présence de CTCF-T et de PRMT7, tandis que les contrôles injectés seulement avec la région ICR ne présentent aucun signe de méthylation. De plus, nous démontrons pour la première fois que la protéine méthyl transférase Dnmt3L est déterminant pour l'établissement de l'empreinte génomique parentale au niveau de la région ICR du locus H19. Aussi, nous confirmons que les activités méthyl transférases de Dnmt3a et Dnmt3b sont complémentaires. Nos données indiquent que les trois protéines Dnmt3 sont impliquées dans la méthylation de l'ADN. En conclusion, nous proposons un mécanisme responsable de la mise en place de nouvelles empreintes génomiques pendant la spermatogenèse : le complexe protéique CTCF-T/PRMT7 dirige la méthylation des histones aboutissant à la méthylation de novo de l'ADN au locus H19.

Role of penicillin-binding proteins in Streptococcus gordonii

Résumé Streptococcus gordonii est une bactérie colonisatrice naturelle de la cavité buccale de l'homme. Bien que normalement commensale, elle peut causer des infections graves, telles que des bactériémies ou des endocardites infectieuses. La pénicilline étant un des traitements privilégiés dans de tels cas, l'augmentation rapide et globale des résistances à cet antibiotique devient inquiétante. L'étude de la physiologie et des bases génétiques de ces résistances chez S. gordonii s'avère donc importante. Les cibles moléculaires privilégiées de la pénicilline G et des β-lactames sont les penicilllin-binding proteins (PBPs). Ces enzymes associées à la membrane ont pour rôle de catalyser les réactions de transpeptidation et de transglycosylation, qui constituent les dernières étapes de la biosynthèse du peptidoglycan (PG). Elles sont définies comme classe A ou B selon leur capacité d'assurer soit les deux réactions, soit uniquement la transpeptidation. Les β-lactames inhibent le domaine transpeptidase de toutes les PBPs, entraînant l'inhibition de la synthèse du PG, l'inhibition de la croissance, et finalement la mort cellulaire. Chez les streptocoques, les PBPs sont aussi les premiers déterminants de la résistance à la pénicilline. De plus, elles sont impliquées dans la morphologie bactérienne, en raison de leur rôle crucial dans la formation du PG. Le but de ce travail était de caractériser les PBPs de S. gordonii et d'étudier leurs fonctions dans la vie végétative de la bactérie ainsi que durant le développement de la résistance à la pénicilline. Premièrement, des mutants auxquels il manque une ou deux PBP(s) ont été construits. Leur étude - au niveau physiologique, biochimique et morphologique - a montré le caractère essentiel ou dispensable de chaque protéine, ainsi que certaines de leurs fonctions potentielles. Deuxièmement, des mutants résistants à la pénicilline ont été générés. Leur caractérisation a montré l'importance des mutations dans les PBPs ainsi que dans d'autres gènes encore inconnus, de même que le rôle crucial des PBPs de classe A dans le développement de la résistance à la pénicilline. Des expériences supplémentaires sur des isolats résistants ont aussi prouvé que la résistance a un coût en terme de fitness, coût que S. gordonii parvient à compenser par des mécanismes d'adaptation. Finalement, les promoteurs des gènes des PBPs ont été déterminés et leur expression a été étudiée grâce au gène de luciférase. Il a ainsi été montré que la résistance à la pénicilline entraîne non seulement des altérations au niveau des protéines, mais aussi au niveau de la régulation des gènes. De plus, la pénicilline génère directement des modifications dans l'expression de PBPs spécifiques. Summary Streptococcus gordonii is a normal inhabitant of the human oral cavity and a pioneer colonizer of teeth. Although usually considered as a commensal, this organism can cause life-threatening infections such as bacteraemia or endocarditis. Since penicillin is one of the preferential treatments for such pathologies, the rapid and general increase of antibiotic resistance in the overall population becomes an issue. Thus, studying the physiologic and genetic bases of such a resistance in S. gordonii is of interest. The primary molecular targets of penicillin G and other β-lactams are the so called penicillin-binding proteins (PBPs). These are membrane-associated proteins that catalyze the last steps in peptidoglycan (PG) biosynthesis, namely transpeptidation and transglycosylation. Depending on their capacity to catalyze either reactions or only transpeptidation, they are considered as class A or class B PBPs, respectively. β-lactam antibiotics inhibit the transpeptidase domain of both of these classes of enzymes, resulting in inhibition of PG assembly, inhibition of bacterial growth, and ultimately leading to cell death. In streptococci, PBPs are also the primary determinants of penicillin-resistance. Moreover, because of their crucial role in PG formation, they are implicated in fundamental aspects of cell morphology. The goal of this work was thus to characterize S. gordonii PBPs and to explore their functions in terms of vegetative life and penicillin-resistance development. First, single and double PBP-inactivated mutants were generated and their effect on the bacterial physiology, cell wall biochemistry and ultrastructural morphology was assessed. This demonstrated the essentiality or dispensability of each protein for bacterial life. Second, penicillin-resistant mutants were generated by cyclic exposure to increasing concentrations of the drug. Characterization of these mutants pointed out the importance of both PBP and non-PBP mutations, as well as the crucial role of the class A PBPs in the development of penicillin-resistance. Further experiments on resistant isolates demonstrated the fitness cost of this resistance, but also the capacity of S. gordonii to adapt and regain the fitness of the wild-type. Finally, the promoters of PBP genes were determined and their expression was monitored using luciferase fusions. This showed that penicillin-resistance, in addition to modifications at the level of the protein, also triggered genetic alterations. Moreover, penicillin itself generated modifications in the expression of specific PBPs.

Early antibiotic administration affects the gut barrier function and the immune response to oral antigen in suckling rats

Abstract: The increasingly high hygienic standards characterizing westernized societies correlate with an increasingly high prevalence of allergic disease. Initially based on these observations, the hygiene hypothesis postulates that reduced microbial stimulation during infancy impairs the immune system development and increases the risk of allergy. Moreover, there is increasing evidence that the crosstalk existing between the intestine and the resident microbiota is crucial for gut homeostasis. In particular, bacterial colonization of the gut affects the integrity of the gut barrier and stimulates the development of the gut associated immune tissue, both phenomena being essential for the immune system to mount a controlled response to food antigens. Therefore, alterations in the microbial colonization process, by compromising the barrier homeostasis, may increase the risk of food allergy. In this context, antibiotic treatment, frequently prescribed during infancy, affects gut colonization by bacteria. However, little is known about the impact of alterations in the colonization process on the maturation of the gut barrier and on the immunological response to oral antigens. The objective of this work was to determine the impact of a commercial antibiotic preparation employed in pediatric settings on the gut barrier status at the critical period of the suckling/weaning transition and to evaluate the physiological consequences of this treatment in terms of immune response to food antigens. We established an antibiotic-treated suckling rat model relevant to the pediatric population in terms of type, dose and route of administration of the antibiotic and of changes in the patterns of microbial colonization. Oral tolerance to a novel luminal antigen (ovalbumin) was impaired when the antigen was introduced during antibiotic treatment. These results paralleled to alterations in the intestinal permeability to macromolecules and reduced intestinal expression of genes coding for the major histocomptatibility complex II molecules, which suggest a reduced capacity of antigen handling and presentation in the intestine of the antibiotic-treated animals. In addition, low luminal IgA levels and reduced intestinal expression of genes coding for antimicrobial proteins suggest that protection against pathogens was reduced under antibiotic treatment. In conclusion, we observed in suckling rats that treatment with abroad-spectrum antibiotic commonly used in pediatric practices reduced the capacity of the immune system to develop tolerance. The impact of the antibiotic treatment on the immune response to the antigen-was likely mediated by the alterations of the gut microbiota, through impairment in the mechanisms of antigen handling and presentation. This work reinforces the body of data supporting a key role of the intestinal microbiota modulating the risk of allergy development and leads us to propose that the introduction of new food antigens should be avoided during antibiotic treatment in infants. Résumé: L'augmentation du niveau d'hygiène caractérisant les sociétés occidentales semble être fortement corrélée avec l'augmentation des cas d'allergie dans ces pays. De cette observation est née l'hypothèse qu'une diminution des stimuli microbiens pendant l'enfance modifie le développement du système immunitaire augmentant ainsi le risque d'allergie. En ce sens, un nombre croissant de données indiquent que les interactions existant entre l'intestin et les bactéries résidantes sont cruciales pour l'équilibre du système. En effet, la présence de bactéries dans l'intestin affecte l'intégrité de sa fonction de barrière et stimule le développement du système immunitaire intestinal. Ces deux paramètres étant essentiels à la mise en place d'une réponse contrôlée vis à vis d'un antigène reçu oralement, toute modification du processus naturel de colonisation compromettant l'équilibre intestinal pourrait augmenter le risque d'allergie. Les traitements aux antibiotiques, fréquemment prescrits en pédiatrie, modifient de façon conséquente le processus de colonisation bactérienne. Cependant peu de données existent concernant l'impact d'une altération du processus de colonisation sur la maturation de la barrière intestinale et de la réponse immunitaire dirigée contre un antigène. L'objectif de ce travail était de déterminer l'impact d'un antibiotique commercial et employé en pédiatrie sur l'état de la barrière intestinale au moment critique du sevrage et d'évaluer les conséquences physiologiques d'un tel traitement sur la réponse immune à un antigène alimentaire. Nous avons mis en place un modèle de rats allaités, traités à l'antibiotique, le plus proche possible des pratiques pédiatriques, en terme de nature, dose et voie d'administration de l'antibiotique. Nous avons constaté que l'établissement de la tolérance orale à un nouvel antigène (l'ovalbumine) est altéré quand celui-ci est donné pour la première fois au cours du traitement antibiotique. Ces résultats coïncident avec une diminution de la perméabilité intestinale aux macromolécules, ainsi qu'avec une diminution de l'expression des gènes codant pour les molécules du complexe majeur d'histocomptatibilité de classe II, suggérant une modification de l'apprêtement et de la présentation de l'antigène au niveau intestinal chez les rats traités à l'antibiotique. De plus, un faible taux d'IgA et une diminution de l'expression des gènes codant pour des protéines antimicrobiennes, observés après l'administration d'antibiotique, laissent à penser que la protection contre un pathogène est diminuée lors d'un traitement antibiotique. En conclusion, nous avons observé qu'un traitement antibiotique à large spectre d'activité, couramment utilisé en pédiatrie, réduit la capacité d'induction de la tolérance orale chez le rat allaité. L'impact du traitement antibiotique sur la réponse immune semble induite par l'altération de la flore intestinale via son effet sur les mécanismes d'apprêtement et de présentation de l'antigène. Ce travail renforce l'ensemble des données existantes qui accorde à la flore intestinale un rôle clef dans la modulation du risque de développement d'allergie et nous amène à recommander d'éviter l'introduction d'un nouvel aliment lorsqu'un enfant est traité aux antibiotiques.

Annotating the human genome

2 Abstract2.1 En françaisLe séquençage du génome humain est un pré-requis fondamental à la compréhension de la biologie de l'être humain. Ce projet achevé, les scientifiques ont dû faire face à une tâche aussi importante, comprendre cette suite de 3 milliards de lettres qui compose notre génome. Le consortium ENCODE (ENCyclopedia Of Dna Elements) fût formé comme une suite logique au projet du génome humain. Son rôle est d'identifier tous les éléments fonctionnels de notre génome incluant les régions transcrites, les sites d'attachement des facteurs de transcription, les sites hypersensibles à la DNAse I ainsi que les marqueurs de modification des histones. Dans le cadre de ma thèse doctorale, j'ai participé à 2 sous-projets d'ENCODE. En premier lieu, j'ai eu la tâche de développer et d'optimiser une technique de validation expérimentale à haut rendement de modèles de gènes qui m'a permis d'estimer la qualité de la plus récente annotation manuelle. Ce nouveau processus de validation est bien plus efficace que la technique RNAseq qui est actuellement en train de devenir la norme. Cette technique basée sur la RT-PCR, m'a notamment permis de découvrir de nouveaux exons dans 10% des régions interrogées. En second lieu j'ai participé à une étude ayant pour but d'identifier les extrémités de tous les gènes des chromosomes humains 21 et 22. Cette étude à permis l'identification à large échelle de transcrits chimères comportant des séquences provenant de deux gènes distincts pouvant être à une grande distance l'un de autre.2.2 In EnglishThe completion of the human genome sequence js the prerequisite to fully understand the biology of human beings. This project achieved, scientists had to face another challenging task, understanding the meaning of the 3 billion letters composing this genome. As a logical continuation of the human genome project, the ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) consortium was formed with the aim of annotating all its functional elements. These elements include transcribed regions, transcription binding sites, DNAse I hypersensitive sites and histone modification marks. In the frame of my PhD thesis, I was involved in two sub-projects of ENCODE. Firstly I developed and optimized an high throughput method to validate gene models, which allowed me to assess the quality of the most recent manually-curated annotation. This novel experimental validation pipeline is extremely effective, far more so than transcriptome profiling through RNA sequencing, which is becoming the norm. This RT-PCR-seq targeted-approach is likewise particularly efficient in identifying novel exons, as we discovered about 10% of loci with unannotated exons. Secondly, I participated to a study aiming to identify the gene boundaries of all genes in the human chromosome 21 and 22. This study led to the identification of chimeric transcripts that are composed of sequences coming form two distinct genes that can be map far away from each other.

Towards the validation of "in silico" models and physicochemical filters to identify and characterize new chemical entities

Summary: Lipophilicity plays an important role in the determination and the comprehension of the pharmacokinetic behavior of drugs. It is usually expressed by the partition coefficient (log P) in the n-octanol/water system. The use of an additional solvent system (1,2-dichlorethane/water) is necessary to obtain complementary information, as the log Poct values alone are not sufficient to explain ail biological properties. The aim of this thesis is to develop tools allowing to predict lipophilicity of new drugs and to analyze the information yielded by those log P values. Part I presents the development of theoretical models used to predict lipophilicity. Chapter 2 shows the necessity to extend the existing solvatochromic analyses in order to predict correctly the lipophilicity of new and complex neutral compounds. In Chapter 3, solvatochromic analyses are used to develop a model for the prediction of the lipophilicity of ions. A global model was obtained allowing to estimate the lipophilicity of neutral, anionic and cationic solutes. Part II presents the detailed study of two physicochemical filters. Chapter 4 shows that the Discovery RP Amide C16 stationary phase allows to estimate lipophilicity of the neutral form of basic and acidic solutes, except of lipophilic acidic solutes. Those solutes present additional interactions with this particular stationary phase. In Chapter 5, 4 different IANI stationary phases are investigated. For neutral solutes, linear data are obtained whatever the IANI column used. For the ionized solutes, their retention is due to a balance of electrostatic and hydrophobie interactions. Thus no discrimination is observed between different series of solutes bearing the same charge, from one column to an other. Part III presents two examples illustrating the information obtained thanks to Structure-Properties Relationships (SPR). Comparing graphically lipophilicity values obtained in two different solvent systems allows to reveal the presence of intramolecular effects .such as internai H-bond (Chapter 6). SPR is used to study the partitioning of ionizable groups encountered in Medicinal Chemistry (Chapter7). Résumé La lipophilie joue un .rôle important dans la détermination et la compréhension du comportement pharmacocinétique des médicaments. Elle est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) d'un composé dans le système de solvants n-octanol/eau. L'utilisation d'un deuxième système de solvants (1,2-dichloroéthane/eau) s'est avérée nécessaire afin d'obtenir des informations complémentaires, les valeurs de log Poct seules n'étant pas suffisantes pour expliquer toutes les propriétés biologiques. Le but de cette thèse est de développer des outils permettant de prédire la lipophilie de nouveaux candidats médicaments et d'analyser l'information fournie par les valeurs de log P. La Partie I présente le développement de modèles théoriques utilisés pour prédire la lipophilie. Le chapitre 2 montre la nécessité de mettre à jour les analyses solvatochromiques existantes mais inadaptées à la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés neutres. Dans le chapitre 3, la même méthodologie des analyses solvatochromiques est utilisée pour développer un modèle permettant de prédire la lipophilie des ions. Le modèle global obtenu permet la prédiction de la lipophilie de composés neutres, anioniques et cationiques. La Partie II présente l'étude approfondie de deux filtres physicochimiques. Le Chapitre 4 montre que la phase stationnaire Discovery RP Amide C16 permet la détermination de la lipophilie de la forme neutre de composés basiques et acides, à l'exception des acides très lipophiles. Ces derniers présentent des interactions supplémentaires avec cette phase stationnaire. Dans le Chapitre 5, 4 phases stationnaires IAM sont étudiées. Pour les composés neutres étudiés, des valeurs de rétention linéaires sont obtenues, quelque que soit la colonne IAM utilisée. Pour les composés ionisables, leur rétention est due à une balance entre des interactions électrostatiques et hydrophobes. Donc aucune discrimination n'est observée entre les différentes séries de composés portant la même charge d'une colonne à l'autre. La Partie III présente deux exemples illustrant les informations obtenues par l'utilisation des relations structures-propriétés. Comparer graphiquement la lipophilie mesurée dans deux différents systèmes de solvants permet de mettre en évidence la présence d'effets intramoléculaires tels que les liaisons hydrogène intramoléculaires (Chapitre 6). Cette approche des relations structures-propriétés est aussi appliquée à l'étude du partage de fonctions ionisables rencontrées en Chimie Thérapeutique (Chapitre 7) Résumé large public Pour exercer son effet thérapeutique, un médicament doit atteindre son site d'action en quantité suffisante. La quantité effective de médicament atteignant le site d'action dépend du nombre d'interactions entre le médicament et de nombreux constituants de l'organisme comme, par exemple, les enzymes du métabolisme ou les membranes biologiques. Le passage du médicament à travers ces membranes, appelé perméation, est un paramètre important à optimiser pour développer des médicaments plus puissants. La lipophilie joue un rôle clé dans la compréhension de la perméation passive des médicaments. La lipophilie est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) dans le système de solvants (non miscibles) n-octanol/eau. Les valeurs de log Poct seules se sont avérées insuffisantes pour expliquer la perméation à travers toutes les différentes membranes biologiques du corps humain. L'utilisation d'un système de solvants additionnel (le système 1,2-dichloroéthane/eau) a permis d'obtenir les informations complémentaires indispensables à une bonne compréhension du processus de perméation. Un grand nombre d'outils expérimentaux et théoriques sont à disposition pour étudier la lipophilie. Ce travail de thèse se focalise principalement sur le développement ou l'amélioration de certains de ces outils pour permettre leur application à un champ plus large de composés. Voici une brève description de deux de ces outils: 1)La factorisation de la lipophilie en fonction de certaines propriétés structurelles (telle que le volume) propres aux composés permet de développer des modèles théoriques utilisables pour la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés ou médicaments. Cette approche est appliquée à l'analyse de la lipophilie de composés neutres ainsi qu'à la lipophilie de composés chargés. 2)La chromatographie liquide à haute pression sur phase inverse (RP-HPLC) est une méthode couramment utilisée pour la détermination expérimentale des valeurs de log Poct.

Identification of cancer stem cells in Ewing's sarcoma

Summary : Cancer stem cells (CSC) that display tumor-initiating properties have recently been identified in several distinct types of malignancies, holding promise for more effective therapeutic strategies. However, evidence of such cells in sarcomas, which include some of the most aggressive and therapy-resistant tumors, has not been demonstrated to date. Here, we .identify and characterize cancer stem cells in Ewing's sarcoma family tumors (ESPY), a highly aggressive pediatric malignancy believed to be of mesenchymal stem cell (MSC) origin. Using magnetic bead cell separation of primary ESFT, we have isolated a subpopulation of CD133+ tumor cells that display the capacity to initiate and sustain tumor growth through serial transplantation in NOD/SCID mice, re-establishing at each in vivo passage the parental tumor phenotype and hierarchical cell organization. Consistent with the plasticity of MSCs, in vitro differentiation assays showed that the CD133+ cell population retained the ability to differentiate along adipogenic, osteogenic and chondrogenic lineages. Quantitative Real-Time PCR analysis of genes implicated in stem cell maintenance revealed that CD133+ ESFT cells express significantly higher levels of OCT4 and NANOG than their CD133- counterparts. Taken together, our observations provide the first identification of ESFT cancer stem cells (ET-CSC) and demonstration of their mesenchymal stem cell properties, a critical step toward a better biological understanding and rational therapeutic targeting of these tumors. Résumé : Des cellules souches tumorales avec des propriétés exclusives d'initiation tumorale ont récemment été identifiées dans différents types de cancers, permettant ainsi d'espérer le développement de thérapies plus efficaces. Cependant, l'existence de telles cellules dans les sarcomes, un sous-groupe de cancers d'origine mésenchymateuse très agressifs, n'a pas encore été démontrée. Dans ce travail de recherche, nous identifions et caractérisons des cellules souches tumorales dans le sarcome d'Ewing, une tumeur pédiatrique très agressive vraisemblablement dérivée de cellules souches mésenchymateuses (MSC). Afin de séparer des populations cellulaires dans des échantillons primaires de sarcome d'Ewing, nous avons utilisé des billes magnétiques couplées à des anticorps monoclonaux. Ceci nous a permis d'isoler une sous-population de cellules tumorales CD133+ qui ont la capacité d'initier et de maintenir la croissance tumorale dans des xénotransplantations en série effectuées dans des souris immunodéficientes NOD/SCID. Ces cellules reétablissent à chaque passage in vivo le phénotype de la tumeur d'origine ainsi que son organisation hiérarchique. En accord avec la plasticité des MSC, des tests de différentiation in vitro ont montré que les cellules CD133+ maintiennent la capacité de se différentier en adipocytes, ostéocytes et chondrocytes. Une analyse par PCR quantitative de gènes impliqués dans le maintien des cellules souches a montré que les cellules CD133+ expriment un niveau beaucoup plus élevé de OCT4 and NANOG que les cellules CD133-. En résumé, nos observations constituent la première identification de cellules souches tumorales dans le sarcome d'Ewing et démontrent leur propriété de cellules souches mésenchymateuses. Ceci constitue une étape clé vers une meilleure compréhension biologique et une meilleure approche thérapeutique de ces tumeurs.

Methylation of GpG Island promoters in uveal melanoma

ABSTRACT : Background: Inactivation of tumour-related genes by promoter hypermethylation is a common epigenetic event in the development of a variety of tumours. Aim: To investigate in primary uveal melanoma the status of promoter methylation of genes thought to be involved in tumour development: p16, TIMP3, RASSF1, RARB, FHIT, hTERT and APC. Methods: Gene promoter methylation was studied by methylation-sensitive single-strand conformation analysis and dot-blot assay in a series of 23 primary uveal melanomas. All DNA samples were obtained from paraffin-embedded formalin-fixed tissue blocks. Results: hTERT promoter methylation was found with a relatively high frequency (52%). Promoter methylation of p16, TIMP3, RASSF1, RARB, FHIT and APC was a rare event. For none of these genes did promoter methylation exceed 15% of tumour samples, and, for some genes (FHIT and APC), no methylation was found at all. Furthermore, promoter methylation was absent in 39% (9/ 23) of cases. In only 22% (5/23) of cases was hypermethylation of at least two promoters observed. Conclusions: Promoter methylation of hTERT is a regular event in uveal melanoma. Hypermethylation of the other genes studied does not seem to be an essential element in the development of this tumour. As promoter methylation of APC, RASSF1 and RARB is often observed in cutaneous melanoma, these results suggest that different epigenetic events occur in the development of cutaneous and uveal melanoma. RAPPORT DE SYNTHESE : L'inactivation de gènes par une hyperméthylation de leur promoteur apparaît être un événement épigénétique fréquent, se retrouvant dans de nombreuses tumeurs. Dans cette étude, nous avons investigué dans des mélanomes primaires de l'uvée l'état de méthylation du promoteur de gènes fréquemment impliqués dans le développent tumoral tels que p16, TIMP3, RASSFI, RARB, FHIT, hTERT et APC. La méthylation des promoteurs de gènes a été étudiée par methylationsensitive single-strand conformation analysis (MS-SSCA) et dot blot assay (MS-DBA) dans une série de 23 mélanomes primaires de l'uvée. Tous les échantillons tissulaires provenaient de matériel fixé dans le formol et conservé dans des blocs de parraffine. Nous avons identifié une fréquence relativement élevée (52%) pour la méthylation du promoteur de hTERT. En ce qui concerne le reste des gènes étudiés, nous avons retrouvé des fréquences de méthylation de promoteurs relativement basses avec 13% pour RASSF1, 13% pour RARB 13%, 9% pour TIMP3 et 4% pour p16. Nous n'avons pas retrouvé d'hyperméthylation des promoteurs des gènes APC et FRIT. La méthylation de hTERT apparaît être un événement important dans la biologie du mélanome de l'uvée. L'hyperméthylation des autres gènes évalués ne semble pas être cruciale dans le développent de cette tumeur. Comme la méthylation des promoteurs des gènes APC, RASSF1 et RARB a été fréquemment observée dans le mélanome de la peau, notre étude tend à démontrer que des mécanismes épigénétiques différents surviennent dans le développement respectif de ces tumeurs.

Dibenzofuran degradation by Sphingomonas wittichii RW1 under environmental stresses

Sphingomonas wittichii is a gram-negative Alpha-proteobacterium, capable of degrading xenobiotic compounds such as dibenzofuran (DBF), dibenzo-p-dioxin, carbazole, 2-hydroxybiphenyl or nitro diphenyl ether herbicides. The metabolism of strain RW1 has been the subject of previous studies and a number of genes involved in DBF degradation have been characterized. It is known that RW1 posseses a unique initial DBF dioxygenase (encoded by the dxnAl gene) that catalyzes the first step in the degradation pathway. None of the organisms known to be able to degrade DBF have a similar dioxygenase, the closest match being the DBF dioxygenase from Rhodococcus sp. with an overall amino acid similarity of 45%. Genes participating in the conversion of the metabolite salicylate via the ortho-cleavage pathway to TCA cycle intermediates were identified as well. Apart from this scarce information, however, there is a lack of global knowledge on the genes that are involved in DBF degradation by strain RW1 and the influence of environmental stresses on DBF-dependent global gene expression. A global analysis is necessary, because it may help to better understand the behaviour of the strain under field conditions and suggest improvements for the current bioaugmentation practice. Chapter 2 describes the results of whole-genome analysis to characterize the genes involved in DBF degradation by RW1. Micro-array analysis allowed us to detect differences in gene transcription when strain RW1 was exposed to DBF. This was complemented by ultra-high throughput sequencing of mutants no longer capable of growing on salicylate and DBF. Some of the genes of the ortho-cleavage pathway were induced 2 to 4 times in the presence of DBF, as well as the initial DBF dioxygenase. However two gene clusters, named 4925 and 5102 were induced up to 19 times in response to DBF induction. The cluster 4925 is putatively participating in a meta-cleavage pathway while the cluster 5102 might be part of a gentisate pathway. The three pathways, ortho-cleavage, meta-cleavage and gentisate pathway seem to be active in parallel when strain RW1 is exposed to DBF, presenting evidence for a redundancy of genes for DBF degradation in the genome of RW1. Chapter 3 focuses on exploiting genetic tools to construct bioreporters representative for DBF degradation in RW1. A set of basic tools for genetic manipulation in Sphingomonas wittichii RW1 was tested and optimized. Both plasmids and mini-transposons were evaluated for their ability to be maintained in RW1 with or without antibiotic selection pressure, and for their ability to lead to fluorescent protein expression in strain RW1 from a constitutive promoter. Putative promoter regions of three of the previously found DBF-induced genes (Swit_4925, Swit_5102 and Swit_4897-dxnAl) were then used to construct eg/^-bioreporters in RW1. Chapter 4 describes the use of the constructed RW1-based bioreporter strains for examining the expression of the DBF degradation pathway genes under microcosm conditions. The bioreporter strains were first exposed to different carbon sources in liquid culture to calibrate the egfp induction. Contrary to our expectations from micro-array analysis only the construct with the promoter from gene cluster 4925 responded to DBF, whereas the other two constructs did not show specific induction with DBF. The response from the bioreporters was subsequently tested for sensitivity to water stress, given that this could have an important impact in soils. Exposure to liquid cultures with decreasing water potential, achieved by NaCl or PEG addition to the growth media, showed that eGFP expression in RW1 from the promoter regions 4925 and 5102 was not directly influenced by water stress, but only through an overall reduction in growth rate. In contrast, expression of eGFP from the dxnAl or an uspA promoter was also directly dependent on the extent of water stress. The RW1 with the 4925 construct was subsequently used in soil microcosms to evaluate DBF bioavailability to the cells in presence or absence of native microbiota or other contaminated material. We found that RW1 could grow on DBF added to soil, but bioreporter expression suggested that competition with native microbiota for DBF intermediates may limit its ability to proliferate to a maximum. Chapter 5 describes the results from the experiments carried out to more specifically detect genes of RW1 that might be implicated in water stress resistance. Hereto we created transposon mutagenesis libraries in RW1, either with a classical mini-Tn5 or with a variant that would express egfp when the transposon would insert in a gene induced under water stress. Classical mutant libraries were screened by replica plating under high and low water stress conditions (achieved by adding NaCl to the agar medium). In addition, we screened for smaller microcolonies formed by mutants in agarose beads that could be analized with flow cytometry. A number of mutants impaired to grow on NaCl-supplemented media were recovered and the transposon insertion sites sequenced. In a second procedure we screened by flow cytometry for mutants with a higher eGFP production after exposure to growth medium with higher NaCl concentrations. Mutants from both libraries rarely overlapped. Discovered gene functions of the transposon insertions pointed to compatible solute synthesis (glutamate and proline), cell membrane synthesis and modification of cell membrane composition. The results obtained in the present study give us a more complete picture of the mechanisms of DBF degradation by S. wittichii RW1, how it reacts to different DBF availability and how the DBF catabolic activity may be affected by the conditions found in contaminated environments. - Sphingomonas wittichii est une alpha-protéobactérie gram-négative, capable de dégrader des composés xénobiotiques tels que le dibenzofurane (DBF), la dibenzo-p-dioxine, le carbazole, le 2-hydroxybiphényle ou les herbicides dérivés du nitro-diphényléther. Le métabolisme de la souche RW1 a fait l'objet d'études antérieures et un certain nombre de gènes impliqués dans la dégradation du DBF ont été caractérisés. Il est connu que RW1 possède une unique dioxygénase DBF initiale (codée par le gène dxnAl) qui catalyse la première étape de la voie de dégradation. Aucun des organismes connus pour être capables de dégrader le DBF n'a de dioxygénase similaire. L'enzyme la plus proche étant la DBF dioxygénase de Rhodococcus sp. avec 45% d'acides aminés conservés. Les gènes qui participent à la transformation du salicylate en métabolites intermédiaires du cycle de Krebs par la voie ort/io-cleavage ont aussi été identifiés. Outre ces informations lacunaires, il y a un manque de connaissances sur l'ensemble des gènes impliqués dans la dégradation du DBF par la souche RW1 ainsi que l'effet des stress environnementaux sur l'expression génétique globale, en présence du DBF. Une analyse globale est nécessaire, car elle peut aider à mieux comprendre le comportement de la souche dans les conditions de terrain et de proposer des améliorations pour l'utilisation de la bio-augmentation comme technique de bio-remédiation. Le chapitre 2 décrit les résultats de l'analyse du génome pour caractériser les gènes impliqués dans la dégradation du DBF par RW1. Une analyse de micro-arrays nous a permis de détecter des différences dans la transcription des gènes lorsque la souche RW1 a été exposée au DBF. L'analyse a été complétée par le criblage à ultra-haut débit de mutants qui n'étaient plus capables de croître avec le salicylate ou le DBF comme seule source de carbone. Certains des gènes de la voie ortho-cleavage, dont la DBF dioxygénase initiale, ont xî été induits 2 à 4 fois, en présence du DBF. Cependant, deux groupes de gènes, nommés 4925 et 5102 ont été induits jusqu'à 19 fois en réponse au DBF. Le cluster 4925 participe probablement dans une voie de meta-cleavage tandis que le cluster 5102 pourrait faire partie d'une voie du gentisate. Les trois voies, ortho-cleavage, meta-cleavage et la voie du gentisate semblent être activées en parallèle lorsque la souche RW1 est exposée au DBF, ce qui représente une redondance de voies pour la dégradation du DBF dans le génome de RW1. Le chapitre 3 se concentre sur l'exploitation des outils génétiques pour la construction de biorapporteurs de la dégradation du DBF par RW1. Un ensemble d'outils de base pour la manipulation génétique dans Sphingomonas wittichii RW1 a été testé et optimisé. Deux plasmides et mini-transposons ont été évalués pour leur capacité à être maintenu dans RW1 avec ou sans pression de sélection par des antibiotiques, et pour leur capacité à exprimer la protéine fluorescente verte (eGFP) dans la souche RW1. Les trois promoteurs des gènes Swit_4925, Swit_5102 et Swit_4897 (dxnAl), induits en réponse au DBF, ont ensuite été utilisés pour construire des biorapporteurs dans RW1. Le chapitre 4 décrit l'utilisation des souches biorapportrices construites pour l'analyse de l'expression des gènes de la voie de dégradation du DBF dans des microcosmes avec différents types de sols. Les souches biorapportrices ont d'abord été exposées à différentes sources de carbone en cultures liquides afin de calibrer l'induction de la eGFP. La construction avec le promoteur du gène 4925 a permis une réponse au DBF. Mais contrairement à nos attentes, basées sur les résultats de l'analyse des micro-arrays, les deux autres constructions n'ont pas montré d'induction spécifique au DBF. La réponse des biorapporteurs a ensuite été testée pour la sensibilité au stress hydrique, étant donné que cela pourrait avoir un impact important dans les microcosmes. La diminution du potentiel hydrique en culture liquide est obtenue par addition de NaCl ou de PEG au milieu de croissance. Nous avons montré que l'expression de la eGFP contrôlée par les promoteurs 4925 et 5102 n'était pas directement influencée par le stress hydrique, mais seulement par une réduction globale des taux de croissance. En revanche, l'expression de la eGFP dépendante des promoteurs dxnAl et uspA était aussi directement dépendante de l'ampleur du stress hydrique. La souche avec la construction 4925 a été utilisée par la suite dans des microcosmes avec différents types de sols pour évaluer la biodisponibilité du DBF en présence ou absence des microbes indigènes et d'autres composés contaminants. Nous avons constaté que RW1 pouvait se développer si le DBF a été ajouté au sol, mais l'expression de la eGFP par le biorapporteur suggère que la compétition avec la microbiota indigène pour les métabolites intermédiaires du DBF peut limiter sa capacité à proliférer de manière optimale. Le chapitre 5 décrit les résultats des expériences réalisées afin de détecter spécifiquement les gènes de RW1 qui pourraient être impliquées dans la résistance au stress hydrique. Ici on a crée des bibliothèques de mutants de RW1 par transposon, soit avec un mini-Tn5 classique ou avec une variante qui exprime la eGFP lorsque le transposon s'insère dans un gène induit par le stress hydrique. Les bibliothèques de mutants ont été criblées par la méthode classique de repiquage sur boîtes, dans des conditions de stress hydrique élevé (obtenu par l'addition de NaCl dans les boîtes). En outre, nous avons criblé des micro¬colonies dans des billes d'agarose qui ont pu être analysées par cytométrie de flux. Un certain nombre de mutants déficients à croître sur des milieux supplémentés avec du NaCl ont été isolés et les sites d'insertion du transposon séquencés. Dans une deuxième procédure nous avons criblé par cytométrie de flux des mutants avec une production de eGFP supérieure, après exposition à un milieu de croissance avec une concentration élevée de NaCl. Les mutants obtenus dans les deux bibliothèques n'étaient pas similaires. Les fonctions des gènes où se trouvent les insertions de transposons sont impliqués dans la synthèse de solutés compatibles (glutamate et de la proline), dans la synthèse de la membrane cellulaire et dans la modification de la composition de la membrane cellulaire. Les résultats obtenus dans la présente étude nous donnent une image plus complète des mécanismes de dégradation du DBF par S. wittichii RW1, comment cette souche réagit à la disponibilité du DBF et comment l'activité catabolique peut être affectée par les conditions rencontrées dans des environnements contaminés.

Conservation genetics and population monitoring of the Alpine Salamander (Salamandra Atra) :

SUMMARYIn the context of the biodiversity crisis, amphibians are experiencing the most severe worldwide decline of all vertebrates and are in urgent need of better management. Efficient conservation strategies rely on sound knowledge of the species biology and of the genetic and demographic processes that might impair their welfare. Nonetheless, these processes are poorly understood in amphibians. Delineating population boundaries remains consequently problematic for these species, while it is of critical importance to define adequate management units for conservation. In this study, our attention focused on the alpine salamander (Salamandra atra), a species that deserves much interest in terms of both conservation biology and evolution. This endemic alpine species shows peculiar life-history traits (viviparity, reduced activity period, slow maturation) and has a slow population turnover, which might be problematic for its persistence in a changing environment. Due to its elusive behaviour (individuals spend most of their time underground and are unavailable for sampling), dynamic processes of gene and individuals were poorly understood for that species. Consequently, its conservation status could hardly be reliably assessed. Similarly the fire salamander (Salamandra salamandra) also poses special challenges for conservation, as no clear demarcation of geographical populations exists and dispersal patterns are poorly known. Through a phylogeographic analysis, we first studied the evolutionary history of the alpine salamander to better document the distribution of the genetic diversity along its geographical range. This study highlighted the presence of multiple divergent lineages in Italy together with a clear genetic divergence between populations from Northern and Dinaric Alps. These signs of cryptic genetic differentiation, which are not accounted for by the current taxonomy of the species, should not be neglected for further definition of conservation units. In addition, our data supported glacial survival of the species in northern peripheral glacial réfugia and nunataks, a pattern rarely documented for long-lived species. Then, we evaluated the level of gene flow between populations at the local scale and tested for asymmetries in male versus female dispersal using both field-based (mark-recapture) and genetic approaches. This study revealed high level of gene flow between populations, which stems mainly from male dispersal. This corroborated the idea that salamanders are much better dispersers than hitherto thought and provided a well- supported example of male-biased dispersal in amphibians. In a third step, based on a mark- recapture survey, we addressed the problem of sampling unavailability in alpine salamanders and evaluated its impact on two monitoring methods. We showed that about three quarters of individuals were unavailable for sampling during sampling sessions, a proportion that can vary with climatic conditions. If not taken into account, these complexities would result in false assumptions on population trends and misdirect conservation efforts. Finally, regarding the daunting task of delineating management units, our attention was drawn on the fire salamander. We conducted a local population genetic study that revealed high levels of gene flow among sampling sites. Management units for this species should consequently be large. Interestingly, despite the presence of several landscape features often reported to act as barriers, genetic breaks occurred at unexpected places. This suggests that landscape features may rather have idiosyncratic effects on population structure. In conclusion, this work brought new insights on both genetic and demographic processes occurring in salamanders. The results suggest that some biological paradigms should be taken with caution when particular species are in focus. Species- specific studies remain thus fundamental for a better understanding of species evolution and conservation, particularly in the context of current global changes.RESUMEDans le contexte de la crise de la biodiversité actuelle, les amphibiens subissent le déclin le plus important de tous les vertébrés et ont urgemment besoin d'une meilleure protection. L'établissement de stratégies de conservation efficaces repose sur des connaissances solides de la biologie des espèces et des processus génétiques et démographiques pouvant menacer leur survie. Ces processus sont néanmoins encore peu étudiés chez les amphibiens.Dans cette étude, notre attention s'est portée sur la salamandre noire (Salamandra atra), une espèce endémique des Alpes dont les traits d'histoire de vie atypiques (viviparité, phase d'activité réduite, lent turnover des populations) pourraient la rendre très vulnérable face aux changements environnementaux. Par ailleurs, en raison de son comportement cryptique (les individus passent la plupart de leur temps sous terre) la dynamique des gènes et des individus est mal comprise chez cette espèce. Il est donc difficile d'évaluer son statut de conservation de manière fiable. La salamandre tachetée {Salamandra salamandra), pour qui il n'existe aucune démarcation géographique apparente des populations, pose également des problèmes en termes de gestion. Dans un premier temps, nous avons étudié l'histoire évolutive de la salamandre noire afin de mieux décrire la distribution de sa diversité génétique au sein de son aire géographique. Cela a permis de mettre en évidence la présence de multiples lignées en Italie, ainsi qu'une nette divergence entre les populations du nord des Alpes et des Alpes dinariques. Ces résultats seront à prendre en compte lorsqu'il s'agira de définir des unités de conservation pour cette espèce. D'autre part, nos données soutiennent l'hypothèse d'une survie glaciaire dans des refuges nordiques périglaciaires ou dans des nunataks, fait rarement documenté pour une espèce longévive. Nous avons ensuite évalué la différentiation génétique des populations à l'échelle locale, ce qui a révélé d'important flux de gènes, ainsi qu'une asymétrie de dispersion en faveur des mâles. Ces résultats corroborent l'idée que les amphibiens dispersent mieux que ce que l'on pensait, et fournissent un exemple robuste de dispersion biaisée en faveur des mâles chez les amphibiens. Nous avons ensuite abordé le problème de Γ inaccessibilité des individus à la capture. Nous avons montré qu'environ trois quarts des individus sont inaccessibles lors des échantillonnages, une proportion qui peut varier en fonction des conditions climatiques. Ignoré, ce processus pourrait entraîner une mauvaise interprétation des fluctuations de populations ainsi qu'une mauvaise allocation des efforts de conservation. Concernant la définition d'unités de gestion pour la salamandre tachetée, nous avons pu mettre en évidence un flux de gènes important entre les sites échantillonnés. Les unités de gestion pour cette espèce devraient donc être étendues. Etonnamment, malgré la présence de nombreuses barrières potentielles au flux de gènes, les démarcations génétiques sont apparues à des endroits inattendus. En conclusion, ce travail a apporté une meilleure compréhension des processus génétiques et démographiques en action chez les salamandres. Les résultats suggèrent que certains paradigmes biologiques devraient être considérés avec précaution quand il s'agit de les appliquer à des espèces particulières. Les études spécifiques demeurent donc fondamentales pour une meilleure compréhension de l'évolution des espèces et leur conservation, tout particulièrement dans le contexte des changements globaux actuels.

Genomics of "chlamydia"-related bacteria

AbstractThe Chlamydiales order is an important bacterial phylum that comprises some of the most successful human pathogens such as Chlamydia trachomatis, the leading infectious cause of blindness worldwide. Since some years, several new bacteria related to Chlamydia have been discovered in clinical or environmental samples and might represent emerging pathogens. The genome sequencing of classical Chlamydia has brought invaluable information on these obligate intracellular bacteria otherwise difficult to study due to the lack of tools to perform basic genetic manipulation. The recent emergence of high-throughput sequencing technologies yielding millions of reads in a short time lowered the costs of genome sequencing and thus represented a unique opportunity to study Chlamydia-re\ated bacteria. Based on the sequencing and the analysis of Chlamydiales genomes, this thesis provides significant insights into the genetic determinants of the intracellular lifestyle, the pathogenicity, the metabolism and the evolution of Chlamydia-related bacteria. A first approach showed the efficacy of rapid sequencing coupled to proteomics to identify immunogenic proteins. This method, particularly useful for an emerging pathogen such as Parachlamydia acanthamoebae, enabled us to discover good candidates for the development of diagnostic tools that would permit to evaluate at larger scale the role of this bacterium in disease. Second, the complete genome of Waddlia chondrophila, a potential agent of miscarriage, encodes numerous virulence factors to manipulate its host cell and resist to environmental stresses. The reconstruction of metabolic pathways showed that the bacterium possesses extensive capabilities compared to related organisms. However, it is still incapable of synthesizing some essential components and thus has to import them from its host. Third, the genome comparison of Protochlamydia naegleriophila to its closest known relative Protochlamydia amoebophila revealed a particular evolutionary dynamic with the occurrence of an unexpected genome rearrangement. Fourth, a phylogenetic analysis of P. acanthamoebae and Legionella drancourtii identified several genes probably exchanged by horizontal gene transfer with other intracellular bacteria that might occur within their amoebal host. These genes often encode mechanisms for resistance to metal or toxic compounds. As a whole, the analysis of the different genomes enabled us to highlight a large diversity in size, GC percentage, repeat content as well as plasmid organization. The abundant genomic data obtained during this thesis have a wide impact since they provide the necessary bases for detailed investigations on countless aspects of the biology and the evolution of Chlamydia-related bacteria, whether in wet lab or by bioinformatical analyses.RésuméL'ordre des Chlamydiales est un important phylum bactérien qui comprend de nombreuses espèces pathogènes pour l'homme et les animaux, dont Chlamydia trachomatis, responsable du trachome, la cause majeure de cécité d'origine infectieuse à travers le monde. Durant ces dernières décennies, de nombreuses bactéries apparentées aux Chlamydia ont été découvertes dans des échantillons environnementaux ou cliniques mais leur éventuel rôle pathogène dans le développement de maladies reste peu connu. Ces bactéries sont des intracellulaires obligatoires car elles ont besoin d'une cellule hôte pour se multiplier, ce qui rend leur étude particulièrement difficile. Le développement de nouvelles technologies permettant de séquencer le génome d'un organisme rapidement et à moindre coût ainsi que l'essor des méthodes d'analyse s'y rapportant représentent une opportunité exceptionnelle d'étudier ces organismes. Dans ce contexte, cette thèse démontre l'utilité de la génomique pour développer de nouveaux outils diagnostiques ainsi que pour étudier le métabolisme de ces bactéries, leurs facteurs de virulence et leur évolution.Ainsi, une première approche a illustré l'utilité d'un séquençage rapide pour obtenir les informations nécessaires à l'identification de protéines qui sont reconnues par des anticorps humains ou animaux. Cette méthode, particulièrement utile pour un pathogène émergent tel que Parachlamydia acanthamoebae, a permis de découvrir de bons candidats pour le développement d'un outil diagnostique qui permettrait d'évaluer à plus large échelle le rôle de cette bactérie notamment dans la pneumonie. L'analyse du contenu génique de Waddlia chondrophila, un autre germe qui pourrait être impliqué dans les avortements et tes fausses-couches, a en outre mis en évidence la présence de nombreux facteurs connus qui lui permettent de manipuler son hôte. Cette bactérie possède de plus grandes capacités métaboliques que les autres Chlamydia, mais elle est incapable de synthétiser certains composants et doit donc les importer de son hôte pour subvenir à ses besoins. La comparaison du génome de Protochlamydia naegleriophila à son plus proche parent, Protochlamydia amoebophila, a dévoilé une évolution dynamique particulière avec l'occurrence d'un réarrangement majeur inattendu après la séparation de ces deux espèces. En outre, ces études ont montré l'occurrence de plusieurs transferts de gène avec d'autres organismes plus éloignés, notamment d'autres intracellulaires d'amibes, souvent pour l'acquisition de mécanismes de résistances à des composés toxiques. Les données génomiques acquises durant ce travail posent les fondements nécessaires a de nombreuses analyses qui permettront progressivement de mieux comprendre de nombreux aspects de ces bactéries fascinantes.

Evolution, maintenance and ecological consequences of genetic caste determination in " Pogonomyrmex " harvester ants

Summary Division of labor between reproducers (queens) and helpers (workers) is the main characteristic of social insect societies and at the root of their ecological success. Kin selection models predict that phenotypic differences between queens and workers should result from environmental rather than from genetic differences. However, genetic effects on queen and worker differentiation were found in two populations-of Pogonomyrmex harvester ants. Each of the two populations is composed of two genetically distinct lineages. Queens (which can be of either lineage) generally mate with males of their own and of the alternate lineage and produce two types of female offspring, those fertilized by males of the queens' lineage which develop into queens and those fertilized by males of the alternate lineage which develop into workers. All four lineages were further suggested to be themselves of hybrid origin between-the species P: barbatus and P. rugosus, in which queens and workers do not differ genetically. In a first set of experiments, we tested if female caste determination (the differentiation into queens and workers) in the lineages was genetically hardwired and if it was associated with costs in terms of the ability to optimally allocate resources to the production of queens and workers. To this end we first mated queens of-two lineages to a single male. Queens mated to a male of the alternate lineage successfully raised worker offspring whereas queens mated to a male of their own lineage almost always failed to produce workers. This reveals that pure-lineage individuals have lost the ability to develop into workers. Second, we analyzed offspring produced by naturally mated queens. During the stage of colony founding when only workers are produced, naturally mated queens laid a high proportion of pure-lineage eggs but the large majority of these eggs failed to develop. As a consequence, the number of offspring produced by incipient colonies decreased linearly with the proportion of pure-lineage eggs laid by queens. Moreover, queens of the lineage most commonly represented in a given population produced more pure-lineage eggs, in line with the view that they mate randomly with the two types of males and indiscriminately use their sperm. Altogether these results predict frequency-dependent founding success for pairs of lineages because queens of the more common lineage will produce more pure-lineage eggs and their colonies be less successful during the stage of colony founding. To describe the distribution of populations characterized with genetic caste determination relative to the populations with environmental caste determination we genotyped queens and workers collected during a large survey of -additional populations. Genetic caste determination associated with pairs of interbreeding lineages was frequent and widespread in the studied range and we identified four additional lineages displaying genetic caste determination. Overall, there were thus eight highly differentiated lineages with genetic caste determination. These lineages always co-occurred in the same complementary lineage pairs. Three of the four lineage pairs appeared to have a common origin, while their relationship with the forth could not be resolved. The genetic survey also revealed that, in addition to being genetically isolated from one another, all eight lineages were genetically distinct from P. rugosus and P. barbatus, even when colonies of interbreeding lineages co-occurred with colonies of either putative parent at the same site. This raised the question of the mechanisms involved in the reproductive isolation between the lineages and the parental species and between the two lineages of a lineage pair. At a site where one lineage pair co-occurred with P. rugosus, we identified two pre-zygotic mechanisms (differences in timing for mating flights between P. rugosus and the lineage pair and assortative mating) and one post-zygotic mechanism (high levels of hybrid unviablility) which in combination may largely account for the reproductive isolation between the lineages and their parental species. The mechanisms accounting for the reproductive isolation between the two lineages of a lineage pair varied across lineage pairs. In one lineage pair, inter-lineage individuals exclusively occurred in the sterile worker caste, raising the possibility that inter-lineage eggs have completely lost the ability to develop into queens in this lineage pair and that there is thus no opportunity for gene flow. In each of the three remaining lineage pairs, inter-lineage queens were produced by a minority of colonies. In these lineage pairs, colonies headed by inter-lineage queens failed to grow sufficiently to produce reproductive individuals which may account for the reproductive isolation between co-occurring lineages in three lineage pairs. In conclusion, the results of this thesis show that genetic caste determination is costly but widespread in Pogonomyrmex harvester ants. Reproductive isolation among the lineages and between the lineages and the parental species as well as frequency-dependent founding success for co-occurring lineages may contribute to the persistence of this extraordinary system. Résumé La division du travail entre individus reproducteurs (les reines) et individus non-reproducteurs (ouvrières) représente la caractéristique principale des sociétés d'insectes et est à la base de leur succès écologique. Des modèles de sélection de parentèle prédisent que les différences phénotypiques entre reines et ouvrières devraient provenir d'effets environnementaux plutôt que de différences génétiques. Malgré ce fait, des effets génétiques sur la différentiation entre reines et ouvrières ont été montrés dans deux populations de fourmis moissonneuses du genre Pogonomyrmex. Chacune des deux populations est composée de deux lignées génétiquement distinctes. Les reines de chaque lignée s'accouplent en général avec des mâles de leur propre lignée ainsi qu'avec des mâles de l'autre lignée et produisent deux types d'oeufs, ceux qui sont fécondés par les mâles de leur propre lignée qui se développent en nouvelles reines et ceux qui sont fécondés par les mâles de l'autre lignée qui se développent en ouvrières. Il a été suggéré que les lignées sont elles-mêmes des hybrides entre les deux espèces P. barbatus et P. rugosus. Dans ces deux espèces, les reines et ouvrières ne sont pas génétiquement distinctes. Dans une première série d'expériences, nous avons testé si la détermination de la caste femelle (le développement en reine ou en ouvrière) est génétiquement rigide et si elle est associée à des coûts en terme de capacité à allouer de façon optimale les ressources pour la production de reines et d'ouvrières. Pour cela nous avons accouplé des reines de deux lignées avec un seul mâle. Les reines accouplées avec un mâle de l'autre lignée ont élevé de nouvelles ouvrières avec succès alors que les reines accouplées avec un mâle de leur propre lignée ont presque toujours échoué à produire des ouvrières. Ceci montre que les individus de lignée pure ont perdu la capacité de se développer en ouvrière. Deuxièmement, nous avons analysé la descendance de reines qui se sont accouplées naturellement. Durant le stade de fondation de la colonie, où seules des ouvrières sont élevées, les reines accouplées naturellement ont pondu une grande proportion d'oeufs de lignée pure mais la majorité de ces derniers ne se sont pas développés. En conséquence, le nombre de descendants produits par des colonies fondatrices diminuait linéairement avec la proportion des oeufs de lignée pure pondus par la reine en accord avec l'hypothèse que les reines s'accouplent au hasard avec les deux types de mâles et utilisent leur sperme aléatoirement. Dans l'ensemble; ces résultats prédisent un succès de fondation fréquence-dépendant pour les deux lignées, car les reines de la lignée la plus fréquente produiront .plus d'oeufs de lignée pure et leurs colonies auront moins de succès lors de la fondation de colonies par rapport aux colonies de la lignée la moins fréquente. Pour décrire la distribution des-populations caractérisées par une détermination génétique des castes par rapport aux populations caractérisées par une détermination environnementale des castes, nous avons génotypé des reines et des ouvrières qui ont été collectées lors d'une analyse de populations supplémentaires. La détermination génétique des castes associée à des croisements entre lignées est fréquente et largement répartie dans l'aire étudiée. Nous avons identifié quatre lignées supplémentaires, ayant une détermination génétique des castes, pour un total de huit lignées. Ces huit lignées forment quatre paires de lignées et on ne trouve jamais deux lignées de paires différentes, dans une population. Trois des quatre paires de lignées s'avèrent avoir une origine commune alors que leur relation avec la quatrième paire de lignées n'a pas pu être résolue. L'analyse génétique de populations supplémentaires a également révélé qu'en plus d'être génétiquement isolées les unes des autres, les huit lignées sont génétiquement distinctes de P. rugosus et P. barbatus même si les colonies d'une paire de lignées se trouvent en sympatrie avec l'une ou l'autre des espèces parentales. Ceci relève la question des mécanismes impliqués dans l'isolation reproductive entre les lignées et les espèces parentales ainsi qu'entre les deux lignées d'une paire. En étudiant un site où une paire de lignées se trouve en sympatrie avec P. rugosus, nous avons identifié deux mécanismes pré-zygotiques (des différences dans le timing du vol nuptial entre P. rugosus et les lignées et des accouplements assortis) ainsi qu'un mécanisme post-zygotique (un niveau élevé de non-viabilité des hybrides). En combinaison, ces mécanismes peuvent largement expliquer l'isolement reproductif entre les lignées et leurs espèces parentales. Les mécanismes contribuant à l'isolement reproductif entre les deux lignées d'une paire variaient entre paires de lignées. Dans une paire, les individus de génotype inter-lignée se trouvent uniquement dans la caste stérile des ouvrières, suggérant qu'il n'y a pas d'opportunité pour avoir du flux de gènes entre les deux lignées ce cette paire. Dans chacune des trois autres paires de lignées des nouvelles reines de génotype inter-lignée sont produites par une minorité de colonies. Par contre, les colonies avec une reine mère de génotype inter-lignée ne se développent pas suffisamment pour produire des individus reproducteurs. Ceci peut donc expliquer pourquoi il n'y a pas de flux de gènes entre les deux lignées de trois paires. En conclusion, les résultats de cette thèse montrent que la détermination génétique de la caste est coûteuse mais très répandue chez les fourmis. moissonneuses du genre Pogonomyrmex. L'isolement reproductif des lignées entre elles et avec les espèces parentales, ainsi qu'un succès de fondation fréquence-dépendant contribuent à la persistance de ce système extraordinaire.