Role of Notch signaling in epidermis and appendages

Résumé Dans la peau, il a été montré que Notch1 induit l'arrêt de la prolifération et la différentiation des keratinocytes. L'inactivation de Notch1 cause une hyperplasie de l'épiderme et la formation de carcinomes basaux cellulaires. Notre groupe a principalement identifié deux voies de signalisations, la voie Shh et la voie Wnt, qui sont dérégulées en conséquence de l'inactivation de Notch1 dans la peau. Nous avons démontré l'habilité de Notch1 à réprimer la voie Wnt induite par ß-catenin dans les keratinocytes primaires ainsi que dans d'autres types de cellules épithéliales humaines. De plus, nous avons pu déterminer que Notch1 régule cette voie, probablement en favorisant la phosphorylation de ß-catenin par le complexe axin/APC/GSK-3ß. La protéine faisant partie de la voie Wnt, ou la protéine affectant la voie Wnt, qui est régulée par Notch1 est sujette à de plus amples investigations. Un autre but de cette étude a été l'identification de potentiels gènes cibles de Notch1 autres que ceux faisant partie des voies de signalisation Shh et Wnt précédemment évoquées. Ce projet fut abordé par l'analyse de puces à ADN (ISREC et Affymetrix) qui ont été utilisées pour des expériences de gain et de perte de fonction de Notch1 dans des keratinocytes prúmaires. En plus de l'hyperplasie épidermale, les souris Notch1 déficiente ont une perte importante de poils. Nous avons montré que Notch1 est nécessaire pour le développement et l'homéostasie des follicules pileux. En effet, l'inactivation du gène Notch1 mediée par l'activation des kératines 5 ou 14 dans l'épiderme, cause des défauts du cycle ainsi que de la structure des poils. De plus, d'autres appendices de la peau, comme les glandes sudoripares et de Meibomius, ont une structure anormale et sont non fonctionnelles dans les souris Notch1 déficiente. Finalement, nous avons observé que la déficience de Notch1 dans l'épithélium cornéen mène à la formation d'une plaque épidermale opaque sur la cornée. Basé sur l'hypothèse que le défaut des glandes de Meibomius des souris Notch1 déficientes cause des lésions de la surface oculaire, nous avons montré que Notch1 est essentiel pour la cicatrisation de la cornée. Lorsque Notch1 est absent, les cellules souches de l'épithélium cornéen ne sont plus capables de se différentier en cellules cornéennes, mais réparent la blessure en se différentiant en épiderme. Ce résultat indique que Notch1 est essentiel pour la différentiation de cellules souches de la cornée qui sont spécifiquement impliquées dans la réparation de la cornée. De plus, nous avons montré que l'expression de CRBP1 dans l'épithélium cornéen est diminuée en l'absence de Notch1, ceci étant possiblement à l'origine de la formation de la plaque épidermale. Abstract: In the skin, Notch1 has been shown to trigger cell growth arrest and differentiation of keratinocytes. Notch1 inactivation results in epidermal hyperplasia and subsequent formation of basal cell carcinoma-like (BCC-like) tumors. So far our group has identified two main pathways, the Shh and the Wnt pathway, that are deregulated as a consequence of Notch1 inactivation in the skin. We showed the ability of Notch1 to represses ß-catenin-mediated Wnt signaling in primary keratinocytes as well as in other types of human epithelial cells. In addition we were able to determine that Notch1 regulates this pathway possibly by enhancing ß-catenin phosphorylation by the axin/APC/GSK-3ß complex. The exact target protein of the Wnt pathway or target protein that affects the Wnt pathway, and that is regulated by Notch1, is subject of current investigation. Another aim of this study was the identification of possible Notch1 target genes in addition to those of the Shh and Wnt signaling pathways. This was addressed by gene chip analysis using ISREC as well as Affymetrix microarrays for gain and loss of function of Notch1 in mouse primary keratinocytes. In addition to epidermal hyperplasia, Notch1 deficient mice show an important hair loss. We showed that Notch1 is required for postnatal development and homeostasis of hair follicles. Indeed, keratin5 or keratinl4-driven Cre recombinase-mediated inactivation of the Notch1 gene in the epidermis causes perturbations of the hair cycle and structural defects of the hair follicle. Moreover, other skin appendages, like the sweat and Meibomian glands show abnormal morphology and are not functional in the Notch 1 deficient mice. Finally, we observed that Notch1 deficiency in the corneal epithelium leads to the formation of an epidermal corneal plaque. Based on the hypothesis that the Meiboinian gland defect in the Notch1 deficient mice results in lesions of the eye surface, we showed that Notch1 is essential for wound-healing of the cornea. In absence of Notch1 the stem cells of the corneal epithelium are no longer able to differentiate in the corneal fate but instead repair the wound by differentiating into skin-like epidermis. This result indicated that Notch1 is essential for the differentiation of corneal stem cells specifically implicated in corneal wound-healing. Moreover, we showed that CRBP1 expression in the corneal epithelium was lost in the absence of Notch1, possibly being at the origin of plaque formation.

A cell therapy approach for erythropoietin delivery using encapsulated human primary fibroblasts

Summary Cell therapy has emerged as a strategy for the treatment of various human diseases. Cells can be transplanted considering their morphological and functional properties to restore a tissue damage, as represented by blood transfusion, bone marrow or pancreatic islet cells transplantation. With the advent of the gene therapy, cells also were used as biological supports for the production of therapeutic molecules that can act either locally or at distance. This strategy represents the basis of ex vivo gene therapy characterized by the removal of cells from an organism, their genetic modification and their implantation into the same or another individual in a physiologically suitable location. The tissue or biological function damage dictates the type of cells chosen for implantation and the required function of the implanted cells. The general aim of this work was to develop an ex vivo gene therapy approach for the secretion of erythropoietin (Epo) in patients suffering from Epo-responsive anemia, thus extending to humans, studies previously performed with mouse cells transplanted in mice and rats. Considering the potential clinical application, allogeneic primary human cells were chosen for practical and safety reasons. In contrast to autologous cells, the use of allogeneic cells allows to characterize a cell lineage that can be further transplanted in many individuals. Furthermore allogeneic cells avoid the potential risk of zoonosis encountered with xenogeneic cells. Accordingly, the immune reaction against this allogeneic source was prevented by cell macro- encapsulation that prevents cell-to-cell contact with the host immune system and allows to easy retrieve the implanted device. The first step consisted in testing the survival of various human primary cells that were encapsulated and implanted for one month in the subcutaneous tissue of immunocompetent and naturally or therapeutically immunodepressed mice, assuming that xenogeneic applications constitute a stringent and representative screening before human transplantation. A fibroblast lineage from the foreskin of a young donor, DARC 3.1 cells, showed the highest mean survival score. We have then performed studies to optimize the manufacturing procedures of the encapsulation device for successful engraftment. The development of calcifications on the polyvinyl alcohol (PVA) matrix serving as a scaffold for enclosed cells into the hollow fiber devices was reported after one month in vivo. Various parameters, including matrix rinsing solutions, batches of PVA and cell lineages were assessed for their respective role in the development of the phenomenon. We observed that the calcifications could be totally prevented by using ultra-pure sterile water instead of phosphate buffer saline solution in the rinsing procedure of the PVA matrix. Moreover, a higher lactate dehydrogenase activity of the cells was found to decrease calcium depositions due to more acidic microenvironment, inhibiting the calcium precipitation. After the selection of the appropriate cell lineage and the optimization of encapsulation conditions, a retroviral-based approach was applied to DARC 3.1 fibroblasts for the transduction of the human Epo cDNA. Various modifications of the retroviral vector and the infection conditions were performed to obtain clinically relevant levels of human Epo. The insertion of a post-transcriptional regulatory element from the woodchuck hepatitis virus as well as of a Kozak consensus sequence led to a 7.5-fold increase in transgene expression. Human Epo production was further optimized by increasing the multiplicity of infection and by selecting high producer cells allowing to reach 200 IU hEpo/10E6 cells /day. These modified cells were encapsulated and implanted in vivo in the same conditions as previously described. All the mouse strains showed a sustained increase in their hematocrit and a high proportion of viable cells were observed after retrieval of the capsules. Finally, in the perspective of human application, a syngeneic model using encapsulated murine myoblasts transplanted in mice was realized to investigate the roles of both the host immune response and the cells metabolic requirements. Various loading densities and anti-inflammatory as well as immunosuppressive drugs were studied. The results showed that an immune process is responsible of cell death in capsules loaded at high cell density. A supporting matrix of PVA was shown to limit the cell density and to avoid early metabolic cell death, preventing therefore the immune reaction. This study has led to the development of encapsulated cells of human origin producing clinically relevant amounts of human EPO. This work resulted also to the optimization of cell encapsulation technical parameters allowing to begin a clinical application in end-stage renal failure patients. Résumé La thérapie cellulaire s'est imposée comme une stratégie de traitement potentiel pour diverses maladies. Si l'on considère leur morphologie et leur fonction, les cellules peuvent être transplantées dans le but de remplacer une perte tissulaire comme c'est le cas pour les transfusions sanguines ou les greffes de moelle osseuse ou de cellules pancréatiques. Avec le développement de la thérapie génique, les cellules sont également devenues des supports biologiques pour la production de molécules thérapeutiques. Cette stratégie représente le fondement de la thérapie génique ex vivo, caractérisée par le prélèvement de cellules d'un organisme, leur modification génétique et leur implantation dans le même individu ou dans un autre organisme. Le choix du type de cellule et la fonction qu'elle doit remplir pour un traitement spécifique dépend du tissu ou de la fonction biologique atteintes. Le but général de ce travail est de développer .une approche par thérapie génique ex vivo de sécrétion d'érythropoïétine (Epo) chez des patients souffrant d'anémie, prolongeant ainsi des travaux réalisés avec des cellules murines implantées chez des souris et des rats. Dans cette perpective, notre choix s'est porté sur des cellules humaines primaires allogéniques. En effet, contrairement aux cellules autologues, une caractérisation unique de cellules allogéniques peut déboucher sur de nombreuses applications. Par ailleurs, l'emploi de cellules allogéniques permet d'éviter les riques de zoonose que l'on peut rencontrer avec des cellules xénogéniques. Afin de protéger les cellules allogéniques soumises à une réaction immunitaire, leur confinement dans des macro-capsules cylindriques avant leur implantation permet d'éviter leur contact avec les cellules immunitaires de l'hôte, et de les retrouver sans difficulté en cas d'intolérance ou d'effet secondaire. Dans un premier temps, nous avons évalué la survie de différentes lignées cellulaires humaines primaires, une fois encapsulées et implantées dans le tissu sous-cutané de souris, soit immunocompétentes, soit immunodéprimées naturellement ou par l'intermédiaire d'un immunosuppresseur. Ce modèle in vivo correspond à des conditions xénogéniques et représente par conséquent un environnement de loin plus hostile pour les cellules qu'une transplantation allogénique. Une lignée fibroblastique issue du prépuce d'un jeune enfant, nommée DARC 3 .1, a montré une remarquable résistance avec un score de survie moyen le plus élevé parmi les lignées testées. Par la suite, nous nous sommes intéressés aux paramètres intervenant dans la réalisation du système d'implantation afin d'optimaliser les conditions pour une meilleure adaptation des cellules à ce nouvel environnement. En effet, en raison de l'apparition, après un mois in vivo, de calcifications au niveau de la matrice de polyvinyl alcohol (PVA) servant de support aux cellules encapsulées, différents paramètres ont été étudiés, tels que les procédures de fabrication, les lots de PVA ou encore les lignées cellulaires encapsulées, afin de mettre en évidence leur rôle respectif dans la survenue de ce processus. Nous avons montré que l'apparition des calcifications peut être totalement prévenue par l'utilisation d'eau pure au lieu de tampon phosphaté lors du rinçage des matrices de PVA. De plus, nous avons observe qu'un taux de lactate déshydrogénase cellulaire élevé était corrélé avec une diminution des dépôts de calcium au sein de la matrice en raison d'un micro-environnement plus acide inhibant la précipitation du calcium. Après sélection de la lignée cellulaire appropriée et de l'optimisation des conditions d'encapsulation, une modification génétique des fibroblastes DARC 3.1 a été réalisée par une approche rétrovirale, permettant l'insertion de l'ADN du gène de l'Epo dans le génome cellulaire. Diverses modifications, tant au niveau génétique qu'au niveau des conditions d'infection, ont été entreprises afin d'obtenir des taux de sécrétion d'Epo cliniquement appropriés. L'insertion dans la séquence d'ADN d'un élément de régulation post¬transcriptionnelle dérivé du virus de l'hépatite du rongeur (« woodchuck ») ainsi que d'une séquence consensus appelée « Kozak » ont abouti à une augmentation de sécrétion d'Epo 7.5 fois plus importante. De même, l'optimisation de la multiplicité d'infection et la sélection plus drastique des cellules hautement productrices ont permis finalement d'obtenir une sécrétion correspondant à 200 IU d'Epo/10E6 cells/jour. Ces cellules génétiquement modifiées ont été encapsulées et implantées in vivo dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut. Toutes les souris transplantées ont montré une augmentation significative de leur hématocrite et une proportion importante de cellules présentait une survie conservée au moment de l'explantation des capsules. Finalement, dans la perspective d'une application humaine, un modèle syngénique a été proposé, basé sur l'implantation de myoblastes murins encapsulés dans des souris, afin d'investiguer les rôles respectifs de la réponse immunitaire du receveur et des besoins métaboliques cellulaires sur leur survie à long terme. Les cellules ont été encapsulées à différentes densités et les animaux transplantés se sont vus administrer des injections de molécules anti-inflammatoires ou immunosuppressives. Les résultats ont démontré qu'une réaction immunologique péri-capsulaire était à la base du rejet cellulaire dans le cas de capsules à haute densité cellulaire. Une matrice de PVA peut limiter cette densité et éviter une mort cellulaire précoce due à une insuffisance métabolique et par conséquent prévenir la réaction immunitaire. Ce travail a permis le développement de cellules encapsulées d'origine humaine sécrétant des taux d'Epo humaine adaptés à des traitements cliniques. De pair avec l'optimalisation des paramètres d'encapsulation, ces résultats ont abouti à l'initiation d'une application clinique destinée à des patients en insuffisance rénale terminale.

Reconstruire

Situer des évènements dans le temps est une question essentielle en science forensique, de même que le transfert et l'identification. En effet, si une personne déclare avoir été sur les lieux d'un crime à un autre moment que l'évènement en question, la trace laissée (transfert) sur les lieux par cette personne (identification) perd toute signification. La pertinence de la trace est donc étroitement liée à la notion de temps. Les difficultés rencontrés lors de l'étude de la datation de différents type de traces ont crées une controverse mondiale sur la validité des méthodes proposées jusqu'ici, particulièrement en regard de la responsabilité de l'expert scientifique face à la justice. Si l'on considère la récurrence de cette problématique en sciences forensiques, une approche systématique ainsi qu'une meilleure compréhension fondamentale de la détermination de l'âge d'une trace est définitivement nécessaire. Cela représente un grand défi, puisque les processus de vieillissement sont influencés par plusieurs facteurs qui peuvent considérablement accélérer ou ralentir le vieillissement. Ceux-ci devront être étudiés de manière approfondie et peuvent être classés en trois groupes principaux : (i) la composition initiale de la trace, (ii) le type de substrat sur lequel se trouvent les traces, et (iii) les conditions de stockage. Pour ces raisons, l'objectif est donc plus de déterminer un intervalle de temps durant lequel la trace a été déposée, plutôt qu'une date précise. Finalement, une interprétation des résultats selon une approche probabiliste (par ex. basée sur une inférence de type Bayesienne sous deux hypothèses alternatives) semble la plus appropriée. Le développement de cette approche globale fait l'objet d'un ambitieux programme de recherche soutenu par le Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique.

Molecular genetic approaches to the biology of the moss "Physcomitrella patens"

La mousse haplobiontique Physcomitrella patens est utilisée comme système génétique modèle pour l'étude du développement des plantes. Cependant, l'absence d'un protocole efficace de transformation a constitué jusqu'à présent un gros désavantage méthodologique pour le développement futur de ce système expérimental. Les résultats présentés dans le premier chapitre relatent la mise au point d'un protocole de transformation basé sur la technique de transfert direct de gènes dans des protoplastes par précipitation au PEG. Un essai d'expression transitoire de gènes a été mis au point. Ce protocole a été adapté afin de permettre l'introduction in vivo d'anticorps dans des protoplastes. Le protocole modifié permet d'introduire simultanément du DNA et des IgG dans les cellules, et nous avons démontré que ces anticorps peuvent inactiver spécifiquement le produit d'un gène co-introduit (GUS), ainsi que certaines protéines impliquées dans des processus cellulaires (tubuline). Cet essai, baptisé "essai transitoire d'immuno-inactivation in vivo", devrait être directement applicable à d'autres protoplastes végétaux, et permettre l'élaboration de nouvelles stratégies dans l'étude de processus cellulaires. Le second chapitre est consacré aux expériences de transformation de la mousse avec des gènes conférant une résistance à des antibiotiques. Nos résultats démontrent que l'intégration de gènes de résistance dans le génome de P. patens est possible, mais que cet événement est rare. Il s'agit là néanmoins de la première démonstration d'une transformation génétique réussie de cet organisme. L'introduction de gènes de résistance aux antibiotiques dans les protoplastes de P. patens génère à haute fréquence des clones résistants instables. Deux classes de clones instables ont été identifiés. La caractérisation phénotypique, génétique et moléculaire de ces clones suggère fortement que les séquences transformantes sont concaténées pour former des structures de haut poids moléculaire, et que ces structures sont efficacement répliquées et maintenues dans les cellules résistantes en tant qu'éléments génétiques extrachromosomaux. Ce type de transformation nous permet d'envisager des expériences permettant l'identification des séquences génomiques impliquées dans la replication de l'ADN de mousse. Plusieurs lignées transgéniques ont été retransformées avec des plasmides portant des séquences homologues aux séquences intégrées dans le génome, mais conférant une résistance à un autre antibiotique. Les résultats présentés dans le troisième chapitre montrent que les fréquences de transformation intégrative dans les lignées transgéniques sont 10 fois plus élevées que dans la lignée sauvage, et que cette augmentation est associée à une coségrégation des gènes de résistance dans la plupart des clones testés. Ces résultats génétiques indiquent que l'intégration de séquences d'ADN étranger dans le génome de P. patens a lieu en moyenne 10 fois plus fréquemment par recombinaison homologue que par intégration aléatoire. Ce rapport homologue/aléatoire est 10000 fois supérieur aux rapports obtenus avec d'autres plantes, et fournit l'outil indispensable à la réalisation d'expériences de génétique inverse dans cet organisme à haplophase dominante. THESIS SUMMARY The moss Physcomitrella patens is used as a model genetic system to study plant development, taking advantage of the fact that the haploid gametophyte dominates in its life cycle. But further development of this model system was hampered by the lack of a protocol allowing the genetic transformation of this plant. We have developed a transformation protocol based on PEG-mediated direct gene transfer to protoplasts. Our data demonstrate that this procedure leads to the establishment of an efficient transient gene expression assay. A slightly modified protocol has been developed allowing the in vivo introduction of antibodies in moss protoplasts. Both DNA and IgGs can be loaded simultaneously, and specific antibodies can immunodeplete the product of an expression cassette (GUS) as well as proteins involved in cellular processes (tubulins). This assay, named transient in vivo immunodepletion assay, should be applicable to other plant protoplasts, and offers new approaches to study cellular processes. Transformations have been performed with bacterial plasmids carrying antibiotic resistance expression cassette. Our data demonstrate that integrative transformation occurs, but at low frequencies. This is the first demonstration of a successful genetic transformation of mosses. Resistant unstable colonies are recovered at high frequencies following transformation, and two different classes of unstable clones have been identified. Phenotypical, genetic and molecular characterisation of these clones strongly suggests that bacterial plasmids are concatenated to form high molecular arrays which are efficiently replicated and maintained as extrachromosomal elements in the resistant cells. Replicative transformation in P. patens should allow the design of experiments aimed at the identification of genomic sequences involved in moss DNA replication. Transgenic strains have been retransformed with bacterial plasmids carrying sequences homologous to the integrated transloci, but conferring resistance to another antibiotic. Our results demonstrate an order of magnitude increase of integrative transformation frequencies in transgenic strains as compared to wild-type, associated with cosegregation of the resistance genes in most of these double resistant transgenic strains. These observations provide strong genetic evidence that gene targeting occurs about ten times more often than random integration in the genome of P. patens. Such ratio of targeted to random integration is about 10 000 times higher than previous reports of gene targeting in plants, and provides the essential requirement for the development of efficient reverse genetics in the haplodiplobiontic P. patens.

Sociogenetics of fire ants

RÉSUMÉ GRAND PUBLIC La complexité des sociétés d'insectes (telles que les abeilles, les termites ou les fourmis) a depuis longtemps fasciné l'Homme. Depuis le débfit du XIXème siècle, de nombreux travaux observationnels, comportementaux et théoriques leur on été consacrés afin de mieux les décrire et comprendre. L'avènement de la biologie moléculaire à la fin du XXèrne siècle a offert de nouveaux outils scientifiques pour identifier et étudier les gènes et molécules impliqués dans le développement et le comportement des êtres vivants. Alors que la majorité de ces études s'est focalisée sur des organismes de laboratoire tel que la mouche ou les nématodes, l'utilisation de ces outils est restée marginale jusqu'à présent dans l'étude des sociétés d'insectes. Lors de ma thèse, j'ai développé des outils moléculaires permettant de déterminer le niveau d'activité de zo,ooo gènes chez la fourmi de feu, Solenopsis invicta, ainsi qu'une base de données et un portail en ligne regroupant les informations relatives à l'étude génétique des fourmis: Fourmidable. J'ai ensuite utilisé ces outils dans le cadre d'une étude comportementale chez la fourmis S. invicta. Dans les sociétés d'insectes, une hiérarchie peut déterminer le statut reproducteur des individus. Suite à la mort d'un dominant, les subordonnés entrent en compétition en vue d'améliorer leur statut. Un tel phénomène se produit au sein des colonies de S. invicta contenant une unique reine mère, des milliers d'ouvrières et des centaines de reines vierges ailées. A la mort de la reine mère, un grand nombre de reines vierges tentent de la remplacer en arrachant leurs ailes et en activant leurs organes reproducteurs plutôt que de partir en vol nuptial. Ces tentatives sont le plus souvent arrêtées par les ouvrières qui exécutent la plupart de ces reines sur la base de signaux olfactifs produits lors de l'activation des organes reproducteurs. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués, j'ai étudié l'activité de gènes au sein des reines au début de ce processus. J'ai ainsi déterminé que des gènes impliqués dans communication olfactive, le développement des organes reproducteurs et la métabolisation de l'hormone juvénile sont activês à ce moment là. La vitesse à laquelle les reines perdent leurs ailes ainsi que les niveaux d'expression de gènes sont ensuite liés à leur probabilité de survie. ABSTRACT : Honeybees, termites and ants occupy the "pinnacle of social evolution" with societies of a complexity that rivals our own. Humans have long been fascinated by social insects, but studying them has been mostly limited to observational and behavioral experiments. The advent of molecular biology first made it possible to investigate the molecular-genetic basis of development in model systems such as the fruit fly Drosophila melarcogaster or the roundworm Caenorhabditis elegans and subsequently their behavior. Molecular and genomic tools are now becoming available for the study of social insects as well. To permit genomic research on the fire ant, Solenopsis invicta, we developed a cDNA microarray that can simultaneously determine the expression levels of approximately 1oooo genes. These genes were assembled and bioinformatically annotated using custom pipelines. The obtained data formed the cornerstones for Fourmidable, a web portal centralizing sequence, gene annotation and gene expression data as well as laboratory protocols for research on ants. In many animals living in groups the reproductive status of individuals is determined by their social status. In species with social hierarchies, the death of dominant individuals typically upheaves the social hierarchy and provides an opportunity for subordinate individuals to improve their social status. Such a phenomenon occurs in the monogyne form of S. invicta, where colonies typically contain a single wingless reproductive queen, thousands of workers and hundreds of winged non-reproductive virgin queens. Upon the death of the mother queen, many virgin queens shed their wings and initiate reproductive development instead of departing on a mating flight. Workers progressively execute almost all of them over the following weeks. The workers base their collective decision on pheromonal cues associated with the onset of reproductive development of the virgin queens which occurs after orphaning. We used the aforementioned tools to determine that genes putatively involved in processes including olfactory signaling, reproductive development and Juvenile Hormone metabolism are differentially expressed at the onset of competition. Additionally, we found that queens that initiate reproductive development faster and, to a certain extent, shed their wings faster after orphaning are more likely to become replacement queens. These results provide candidate genes that are putatively linked to competition outcome. To determine the extent to which specific genes affect different aspects of life in ant colonies, functional tests such as gene activation and silencing will still be required. We conclude by discussing some of the challenges and opportunities for molecular-genetic research on ants. RÉSUMÉ Les sociétés d'abeilles, de termites et de fourmis sont d'une complexité proche de celle de la nôtre et ont depuis longtemps fasciné l'Homme. Cependant, leur étude était jusqu'à présent limitée aux observations et expériences comportementales. L'avènement de la biologie moléculaire a d'abord rendu possible l'étude moléculaire et génétique du développement d'organismes modèles tels que la mouche Drosophila melanogaster ou le nématode Caenorhabditis elegans, puis dans un second temps de leur comportement. De telles études deviennent désormais possibles pour les insectes sociaux. Nous avons développé une puce à ADN permettant de déterminer simultanément les niveaux d'expression de 1oooo gènes de la fourmi de feu, Solenopsís invicta. Ces gènes ont été séquencés puis assemblés et annotés à l'aide de pipelines que nous avons développés. En se basant sur les informations obtenues, nous avons créé un portail web, Fourmidable. Ce portail vise à centraliser toutes les informations de séquence, d'annotation et d'expression de gènes, ainsi que les protocoles de laboratoire utilisés pour la recherche sur les fourmis. Par la suite, nous avons utilisé les outils développés pour étudier un aspect particulier de S. invicta. Chez les animaux grégaires, une hiérarchie sociale peut déterminer le statut reproducteur des individus. Suite à la mort d'un individu dominant, les individus subordonnés peuvent entrer en compétition en vue d'améliorer leur statut. Un tel phénomène se produit au sein des colonies monogynes de S. invicta, qui contiennent habituellement une unique reine mère, des milliers d'ouvrières et des centaines de reines vierges ailées. Suite à la mort de la reine mère, dominante, un grand nombre de reines vierges, subordonnées, perdent leurs ailes et activent leurs organes reproducteurs au lieu de partir en vol nuptial. Au cours des semaines suivantes, les ouvrières exécutent la plupart de ces reines sur la base de signaux olfactifs produits lors de l'activation des organes reproducteurs. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués, nous avons étudié l'expression de gènes au début de cette compétition. Nous avons identifié 297 gènes différemment exprimés, dont l'annotation indique qu'ils seraient impliqués dans des processus biologiques dont la communication olfactive, le développement des organes reproducteurs et la métabolisation de l'hormone juvénile. Par la suite, nous avons déterminé que la vitesse à laquelle les reines perdent leurs ailes en début de compétition ainsi que les niveaux d'expression de gènes sont corrélés à la probabilité de survie des reines. Nous concluons en discutant des opportunités offertes par la recherche génétique sur les fourmis ainsi que les défis qu'elle devra surmonter.

Genomic roles of the HCF transcriptional regulator in "Drosophila"

Abstract : Transcriptional regulation is the result of a combination of positive and negative effectors, such as transcription factors, cofactors and chromatin modifiers. During my thesis project I studied chromatin association, and transcriptional and cell cycle regulatory functions of dHCF, the Drosophila homologue of the human protein HCF-1 (host cell factor-1). The human and Drosophila HCF proteins are synthesized as large polypeptides that are cleaved into two subunits (HCFN and HCFC), which remain associated with one another by non covalent interactions. Studies in mammalian cells over the past 20 years have been devoted to understanding the cellular functions of HCF-1 and have revealed that it is a key regulator of transcription and cell cycle regulation. In human cells, HCF-1 interacts with the histone methyltransferase Set1/Ash2 and MLL/Ash2 complexes and the histone deacetylase Sin3 complex, which are involved in transcriptional activation and repression, respectively. HCF-1 is also recruited to promoters to regulate G1 -to-S phase progression during the cell cycle by the activator transcription factors E2F1 and E2F3, and by the repressor transcription factor E2F4. HCF-1 protein structure and these interactions between HCP-1 and E2F transcriptional regulator proteins are also conserved in Drosophila. In this doctoral thesis, I use proliferating Drosophila SL2 cells to study both the genomic-binding sites of dHCF, using a combination of chromatin immunoprecipitation and ultra high throughput sequencing (ChIP-seq) analysis, and dHCF regulated genes, employing RNAi and microarray expression analysis. I show that dHCF is bound to over 7500 chromosomal sites in proliferating SL2 cells, and is located at +-200 bp relative to the transcriptional start sites of about 30% of Drosophila genes. There is also a direct relationship between dHCF promoter association and promoter- associated transcriptional activity. Thus, dHCF binding levels at promoters correlated directly with transcriptional activity. In contrast, expression studies showed that dHCF appears to be involved in both transcriptional activation and repression. Analysis of dHCF-binding sites identified nine dHCF-associated motifs, four of them linked dHCF to (i) two insulator proteins, GAGA and BEAF, (ii) the E-box motif, and (iii) a degenerated TATA-box. The dHCF-associated motifs allowed the organization of the dHCF-bound genes into five biological processes: differentiation, cell cycle and gene expression, regulation of endocytosis, and cellular localization. I further show that different mechanisms regulate dHCF association with chromatin. Despite that after dHCF cleavage the dHCFN and dHCFC subunits remain associated, the two subunits showed different affinities for chromatin and differential binding to a set of tested promoters, suggesting that dHCF could target specific promoters through each of the two subunits. Moreover, in addition to the interaction between dHCF and E2F transcription factors, the dHCF binding pattern is correlated with dE2F2 genomic 4 distribution. I show that dE2F factors are necessary for recruitment of dHCF to the promoter of a set of dHCF regulated genes. Therefore dHCF, as in mammals, is involved in regulation of G1 to S phase progression in collaboration with the dE2Fs transcription factors. In addition, gene expression arrays reveal that dHCF could indirectly regulate cell cycle progression by promoting expression of genes involved in gene expression and protein synthesis, and inhibiting expression of genes involved in cell-cell adhesion. Therefore, dHCF is an evolutionary conserved protein, which binds to many specific sites of the Drosophila genome via interaction with DNA of chromatin-binding proteins to regulate the expression of genes involved in many different cellular functions. Résumé : La regulation de la transcription est le résultat des effets positifs et négatifs des facteurs de transcription, cofacteurs et protéines effectrices qui modifient la chromatine. Pendant mon projet de thèse, j'ai étudié l'association a la chromatine, ainsi que la régulation de la transcription et du cycle cellulaire par dHCF, l'homologue chez la drosophile de la protéine humaine HCF-1 (host cell factor-1). Chez 1'humain et la V drosophile, les deux protéines HCF sont synthétisées sous la forme d'un long polypeptide, qui est ensuite coupé en deux sous-unités au centre de la protéine. Les deux sous-unités restent associées ensemble grâce a des interactions non-covalentes. Des études réalisées pendant les 20 dernières années ont permit d'établir que HCF-l et un facteur clé dans la régulation de la transcription et du cycle cellulaire. Dans les cellules humaines, HCF-1 active et réprime la transcription en interagissant avec des complexes de protéines qui activent la transcription en méthylant les histones (HMT), comme par Set1/Ash2 et MLL/Ash2, et d'autres complexes qui répriment la transcription et sont responsables de la déacétylation des histones (HDAC) comme la protéine Sin3. HCF-l est aussi recruté aux promoteurs par les activateurs de la transcription E2F l et E2F3a, et par le répresseur de la transcription E2F4 pour réguler la transition entre les phases G1 et S du cycle cellulaire. La structure de HCF-1 et les interactions entre HCF-l et les régulateurs de la transcription sont conservées chez la drosophile. Pendant ma these j'ai utilisé les cellules de la drosophile, SL2 en culture, pour étudier les endroits de liaisons de HCF-l à la chromatine, grâce a immunoprecipitation de la chromatine et du séquençage de l'ADN massif ainsi que les gènes régulés par dHCF 3 grâce a la technique de RNAi et des microarrays. Mes résultats on montré que dHCF se lie à environ 7565 endroits, et estimé a 1200 paire de bases autour des sites d'initiation de la transcription de 30% des gènes de la drosophile. J 'ai observe une relation entre dHCF et le niveau de la transcription. En effet, le niveau de liaison dHCF au promoteur corrèle avec l'activité de la transcription. Cependant, mes études d'expression ont montré que dHCF est implique dans le processus d'activation et mais aussi de répression de la transcription. L'analyse des séquences d'ADN liées par dHCF a révèle neuf motifs, quatre de ces motifs ont permis d'associer dl-ICF a deux protéines isolatrices GAGA et BEAF, au motif pour les E-boxes et a une TATA-box dégénérée. Les neuf motifs associes à dHCF ont permis d'associer les gènes lies par dHCF au promoteur a cinq processus biologiques: différentiation, cycle cellulaire, expression de gènes, régulation de l'endocytosis et la localisation cellulaire, J 'ai aussi montré qu'il y a plusieurs mécanismes qui régulent l'association de dHCF a la chromatine, malgré qu'après clivage, les deux sous-unites dHCFN and dHCFC, restent associées, elles montrent différentes affinités pour la chromatine et lient différemment un group de promoteurs, les résultats suggèrent que dHCF peut se lier aux promoteurs en utilisant chacune de ses sous-unitées. En plus de l'association de dHCF avec les facteurs de transcription dE2F s, la distribution de dHCF sur le génome corrèle avec celle du facteur de transcription dE2F2. J'ai aussi montré que les dE2Fs sont nécessaires pour le recrutement de dHCF aux promoteurs d'un sous-groupe de gènes régules par dHCF. Mes résultats ont aussi montré que chez la drosophile comme chez les humains, dl-ICF est implique dans la régulation de la progression de la phase G1 a la phase S du cycle cellulaire en collaboration avec dE2Fs. D'ailleurs, les arrays d'expression ont suggéré que dHCF pourrait réguler le cycle cellulaire de façon indirecte en activant l'expression de gènes impliqués dans l'expression génique et la synthèse de protéines, et en inhibant l'expression de gènes impliqués dans l'adhésion cellulaire. En conclusion, dHCF est une protéine, conservée dans l'évolution, qui se lie spécifiquement a beaucoup d'endroits du génome de Drosophile, grâce à l'interaction avec d'autres protéines, pour réguler l'expression des gènes impliqués dans plusieurs fonctions cellulaires.

Bioinformatic study of selection in animal genomes

Les gènes orthologues divergent sur plusieurs aspects durant l'évolution. Après une revue de la littérature cherchant à montrer de la divergence entre les orthologues de l'humain et de la souris, j'ai souligné les différentes causes de cette divergence. En comparant les gènes qui divergent en fonction, je n'ai pas trouvé de lien avec la divergence des séquences, pour cette raison je me suis penché sur l'étude de l'expression. Notamment, j'ai étudié le niveau, la spécificité ainsi que la présence/absence d'expression des orthologues humain-souris liés aux maladies Mendéliennes. Malgré les similarités trouvées entre l'humain et la souris, j'ai détecté une différence d'expression spécifique à une des deux espèces liée a un phénotype précis (gène essentiel/non-essentiel). Cela m'a permis de conclure que la différence sur le plan phénotypique entre l'humain et la souris est mieux expliquée par les patrons d'expression plutôt que le niveau d'expression ou la sélection. J'ai été également intéressé par l'évolution des séquences d'ADN codantes pour des protéines, en particulier sur le rôle de la sélection. J'ai commencé par une étude sur la fiabilité de détection de la sélection positive en comparant des séquences divergentes. J'ai trouvé, en utilisant le model de branche-site que la sélection peut être détectée sur des séquences qui ont divergé il y a plus de 500 millions d'années. J'ai analysé le biais de GC entres les séquences sans trouver une influence sur l'estimation de la sélection positive. Finalement, Je crois que ce travail est une première étape dans l'établissement d'un lien entre la sélection et les patrons d'expression des gènes chez les vertébrés.

Indice forensique incriminant: l'accusé a-t-il intérêt à se taire ?

Quel défenseur ne s'est pas senti désarmé par les résultats d'une¦expertise ADN rapportant une correspondance entre une trace¦trouvée sur une scène de crime et son client? Ce sentiment est¦largement répandu auprès des avocats pénalistes. Souvent, la bataille¦n'est pourtant pas perdue à ce stade, comme l'illustrent¦deux arrêts récents du Tribunal pénal fédéral, et l'accusé n'a pas¦toujours intérêt à se taire face à des indices forensiques incriminants.

Processus de reconnaissance et d'identification de personnes décédées

Recognition and identification processes for deceased persons. Determining the identity of deceased persons is a routine task performed essentially by police departments and forensic experts. This thesis highlights the processes necessary for the proper and transparent determination of the civil identities of deceased persons. The identity of a person is defined as the establishment of a link between that person ("the source") and information pertaining to the same individual ("identifiers"). Various identity forms could emerge, depending on the nature of the identifiers. There are two distinct types of identity, namely civil identity and biological identity. The paper examines four processes: identification by witnesses (the recognition process) and comparisons of fingerprints, dental data and DNA profiles (the identification processes). During the recognition process, the memory function is examined and helps to clarify circumstances that may give rise to errors. To make the process more rigorous, a body presentation procedure is proposed to investigators. Before examining the other processes, three general concepts specific to forensic science are considered with regard to the identification of a deceased person, namely, matter divisibility (Inman and Rudin), transfer (Locard) and uniqueness (Kirk). These concepts can be applied to the task at hand, although some require a slightly broader scope of application. A cross comparison of common forensic fields and the identification of deceased persons reveals certain differences, including 1 - reverse positioning of the source (i.e. the source is not sought from traces, but rather the identifiers are obtained from the source); 2 - the need for civil identity determination in addition to the individualisation stage; and 3 - a more restricted population (closed set), rather than an open one. For fingerprints, dental and DNA data, intravariability and intervariability are examined, as well as changes in these post mortem (PM) identifiers. Ante-mortem identifiers (AM) are located and AM-PM comparisons made. For DNA, it has been shown that direct identifiers (taken from a person whose civil identity has been alleged) tend to lead to determining civil identity whereas indirect identifiers (obtained from a close relative) direct towards a determination of biological identity. For each process, a Bayesian model is presented which includes sources of uncertainty deemed to be relevant. The results of the different processes combine to structure and summarise an overall outcome and a methodology. The modelling of dental data presents a specific difficulty with respect to intravariability, which in itself is not quantifiable. The concept of "validity" is, therefore, suggested as a possible solution to the problem. Validity uses various parameters that have an acknowledged impact on teeth intravariability. In cases where identifying deceased persons proves to be extremely difficult due to the limited discrimination of certain procedures, the use of a Bayesian approach is of great value in bringing a transparent and synthetic value. RESUME : Titre: Processus de reconnaissance et d'identification de personnes décédées. L'individualisation de personnes décédées est une tâche courante partagée principalement par des services de police, des odontologues et des laboratoires de génétique. L'objectif de cette recherche est de présenter des processus pour déterminer valablement, avec une incertitude maîtrisée, les identités civiles de personnes décédées. La notion d'identité est examinée en premier lieu. L'identité d'une personne est définie comme l'établissement d'un lien entre cette personne et des informations la concernant. Les informations en question sont désignées par le terme d'identifiants. Deux formes distinctes d'identité sont retenues: l'identité civile et l'identité biologique. Quatre processus principaux sont examinés: celui du témoignage et ceux impliquant les comparaisons d'empreintes digitales, de données dentaires et de profils d'ADN. Concernant le processus de reconnaissance, le mode de fonctionnement de la mémoire est examiné, démarche qui permet de désigner les paramètres pouvant conduire à des erreurs. Dans le but d'apporter un cadre rigoureux à ce processus, une procédure de présentation d'un corps est proposée à l'intention des enquêteurs. Avant d'entreprendre l'examen des autres processus, les concepts généraux propres aux domaines forensiques sont examinés sous l'angle particulier de l'identification de personnes décédées: la divisibilité de la matière (Inman et Rudin), le transfert (Locard) et l'unicité (Kirk). Il est constaté que ces concepts peuvent être appliqués, certains nécessitant toutefois un léger élargissement de leurs principes. Une comparaison croisée entre les domaines forensiques habituels et l'identification de personnes décédées montre des différences telles qu'un positionnement inversé de la source (la source n'est plus à rechercher en partant de traces, mais ce sont des identifiants qui sont recherchés en partant de la source), la nécessité de devoir déterminer une identité civile en plus de procéder à une individualisation ou encore une population d'intérêt limitée plutôt qu'ouverte. Pour les empreintes digitales, les dents et l'ADN, l'intra puis l'inter-variabilité sont examinées, de même que leurs modifications post-mortem (PM), la localisation des identifiants ante-mortem (AM) et les comparaisons AM-PM. Pour l'ADN, il est démontré que les identifiants directs (provenant de la personne dont l'identité civile est supposée) tendent à déterminer une identité civile alors que les identifiants indirects (provenant d'un proche parent) tendent à déterminer une identité biologique. Puis une synthèse des résultats provenant des différents processus est réalisée grâce à des modélisations bayesiennes. Pour chaque processus, une modélisation est présentée, modélisation intégrant les paramètres reconnus comme pertinents. À ce stade, une difficulté apparaît: celle de quantifier l'intra-variabilité dentaire pour laquelle il n'existe pas de règle précise. La solution préconisée est celle d'intégrer un concept de validité qui intègre divers paramètres ayant un impact connu sur l'intra-variabilité. La possibilité de formuler une valeur de synthèse par l'approche bayesienne s'avère d'une aide précieuse dans des cas très difficiles pour lesquels chacun des processus est limité en termes de potentiel discriminant.

Analysis of the mechanisms controlling the activity of flp1, a chromosomal passenger protein in the fission Schizosaccharomyces pombe

ABSTRACT In S. cerevisiae, the protein phosphatase Cdc14pwt is essential far mitotic exit through its contribution to reducing mitotic CDK activity. But Cdc14pwt also acts as a mare general temporal coordinator of mid and late mitotic events by controlling the partitioning of DNA, microtubule stability and cytokinesis. Cdc14pwt orthologs are well conserved from yeasts to humans, and sequence comparison revealed the presence of three domains, A, B and C, of which A and B form the catalytic domain. Cdc14pwt orthologs are regulated (in part) through cell cycle dependent changes in their localization. Some of them are thought to be kept inactive by sequestration in the nucleolus during interphase. This is the case for flp1pwt, the single identified Cdc14pwt ortholog in the fission yeast S. pombe. In early mitosis, flp1pwt leaves the nucleolus and localizes to the kinetochores, the contractile ring and the mitotic spindle, suggesting that it has multiple substrates and regulates many mitotic processes. flp1D cells show a high chromosome loss rate and septation defects, suggesting a role for flp1wt in the fidelity of chromosome transmission and cytokinesis. The aim of this study is to characterize the mechanisms underlying flp1pwt functions and the control of its activity. A structure-function analysis has revealed that the presence of both A and B domains is required for biological function and for proper flp1pwt mitotic localization. In contrast, the C domain of flp1pwt is responsible for its proper nucleolar localization in G2/interphase. My data suggest that dephosphorylation of substrates by flp1pwt is not necessary for any changes in localization of flp1pwt except that at the medial ring. In that particular case, the catalytic activity of flp1pwt is required for efficient localization, therefore revealing an additional level of regulation. All the functions of flp1pwt assayed to date require its catalytic activity, emphasizing the importance of further identification of its substrates. As described for other orthologs, the capability of selfinteraction and phosphorylation status might help to control flp1pwt activity. My data suggest that flp1pwt forms oligomers in vivo and that phosphorylation is not essential far localization changes of the protein. In addition, the hypophosphorylated form of flp1pwt might be specifically involved in the promotion of cytokinesis. The results of this study suggest that multiple modes of regulation including localization, selfassociation and phosphorylation allow a fine-tuning regulation of flp1pwt phosphatase activity, and more generally that of Cdc14pwt family of phosphatases. RESUME Chez la levure S. cerevisiae, la protéine phosphatase Cdc14pwt est essentielle pour la sortie de mitose du fait de sa contribution dans la réduction d'activité des CDK mitotiques. Comme elle contrôle également le partage de l'ADN, la stabilité des microtubules et la cytokinèse, Cdc14pwt est en fait considérée comme un coordinateur temporel général des évènements de milieu et de fin de mitose. Les orthologues de Cdc14pwt sont bien conservés, des levures jusqu'à l'espèce humaine. Des comparaisons de séquence ont révélé la présence de trois domaines A, B et C, les deux premiers constituant le domaine catalytique. Ils sont régulés (en partie) via des changements dans leur localisation, eux-mêmes dépendants du cycle cellulaire. Plusieurs de ces orthologues sont supposés inactivés par séquestration dans le nucléole en interphase, ce qui est le cas de flp1pwt le seul orthologue de Cdc14pwt identifié chez la levure fissipare S, pombe. En début de mitose, flp1pwt quitte le nucléole et localise au niveau des kinetochores, de l'anneau contractile d'actine et du fuseau mitotique, ce qui laisse supposer de multiples substrats et fonctions. Comme les cellules délétées pour le gène flp1wt présentent un taux élevé de perte de chromosome et des défauts de septation, flp1pwt semble jouer un rôle dans la fidélité de la transmission du matériel génétique et la cytokinèse. Le but de cette étude est de caractériser les mécanismes impliqués dans les fonctions assurées par flp1pwt d'une part, et dans le contrôle de son activité d'autre part. Une analyse structure-fonction a révélé que la présence simultanée des deux domaines A et B est requise pour la fonction biologique de flp1pwt et sa localisation correcte pendant la mitose. Par contre, le domaine C de flp1pwt confère une localisation nucléolaire adéquate en G2/interphase. Mes données suggèrent que la déphosphorylation de substrats par flp1pwt est dispensable pour sa localisation correcte excepté celle à l'anneau médian, qui requiert dans ce cas, l'activité catalytique de flp1pwt, révélant ainsi un niveau de régulation supplémentaire. Toutes les fonctions de flp1 pwt testées jusqu'à présent nécessitent également son activité catalytique, ce qui accentue l'importance de l'identification future de ses substrats. Comme cela a déjà été décrit pour d'autres orthologues, la capacité d'auto-intéraction et le niveau de phosphorylation pourraient contrôler l'activité de flp1pwt. En effet, mes données suggèrent que flp1pwt forme des oligomères in vivo et que la phosphorylation n'est pas essentielle pour les changements de localisation observés pour la protéine. De plus, la forme hypophosphorylée de flp1pwt pourrait être spécifiquement impliquée dans la promotion de la cytokinèse. De multiples modes de régulation incluant la localisation, l'auto-association et la phosphorylation semblent permettre un contrôle fin et subtil de l'activité de la phosphatase flp1pwt, et plus généralement celle des protéines de la famille de Cdc14pwt.

Sex-linked genetic markers in the shrews of the Sorex araneus group : from free gene flow to speciation

SUMMARY: The shrews of the Sorex araneus group are morphologically .very similar, but have undergone a spectacular chromosomal evolution. Altogether, the shrews of this group present a complete array of every possible level of chromosomal and genetic differentiation. In South-Western Europe, four species are recognised: S. antiriorii, S. araneus, S. coronatus and S. granarius, which differ essentially by the amount and the composition of Robertsonian metacentric chromosomés. Additionally, several chromosome races of S. araneus are also present in the same region (i.e. Bretolet, Carlit, Cordon, Jura and Vaud). The objective of this thesis was to examine the genetic relationships between populations, races and /or species of the Sorex araneus group with a special emphasis onsex-specific markers (mtDNA and Y chromosome). We first investigate the evolutionary history of the shrews of the Sorex araneus group distributed in the South-Western Europe. The results of. these analyses confirmed the difficulty to draw a single dichotomic tree within this group. Incongruent mtDNA and Y chromosome phylogenies suggest further that genetic and chromosomal evolution are in this group partially independent processes and that the evolutionary history of the south-western European populations of the S. araneus group can only be understood if we consider secondary contacts between taxa, after their divergence (with genetic exchanges by means of hybridization and / or introgression). Using one male-inherited, one female inherited and eight biparentally inherited markers, we investigate the population genetic structure of the Valais shrew (Sorex antinorii). Overall there results suggest that two already well-differentiated genetic lineages colonized the Swiss Alps after the last glacial period and came into contact in the Rhône Valley. After the Valais shrew (Sorex antinorii) reached the Swiss Alps, it came into contact with the common shrew (Sorex araneus). When two species come into contact and hybridize, endogenous counter-selection of hybrids is usually first expressed as a reduced fertility or viability in hybrids of the heterogametic sex, a mechanism know as Haldane's rule (Haldane 1922). We first evaluated the extent of introgression for Y chromosome, mtDNA and autosomal markers in a hybrid zone between S. antinoriii and S. araneus. The overall level of genetic and karyotypic differentiation between the two species must be strong .enough to allow the detection asymmetric introgression. Secondly, we compared the levels of gene flow between chromosome common to both species and chromosome differently rearranged in each of them. We detected a significantly stronger genetic structure in rearranged chromosomes. Over a 10-year period, we even observed a decrease of genetic structure for common chromosomes. These results strongly support the role of chromosomal rearrangements in the reproductive barrier between S. araneus and S. anfinorii. Overall, this thesis underlines the need to use different inherited (paternally, maternally and / or biparentally) and chromosomally located (on common vs. on rearranged chromosomes) markers to obtain more accurate pictures of genetic relationships between populations or species. RÉSUMÉ: Les musaraignes du groupe Sorex araneus sont morphologiquement très proches, mais ont connu une spectaculaire évolution chromosomique. Prises dans leur ensemble, les musaraignes de ce groupe présentent tous les nivaux possibles de différenciation génétique et chromosomique. Dans le sud-ouest de l'Europe, quatre espèces appartenant à ce groupe sont présentes : S. antinorii, S. araneus, S. coronatus et S. granarius. Celles-ci diffèrent essentiellement par leur caryotype dont la variabilité est principalement due à des fusions Robertsoniennes. De plus, plusieurs races chromosomiques appartenant à S. araneus sont aussi présentes dans la même région (i.e. les races Bretolet, Carlit, Cordon, Jura et Vaud). L'objectif de cette thèse était d'examiner les relations génétiques entre populations, races et/ou espèces du groupe S. araneus, en utilisant particulièrement des marqueurs liés aux sexes (ADN mitochondrial et Chromosome Y). Nous avons dans un premier temps retracé l'histoire évolutive des musaraignes de ce groupe dans le sud-ouest de l'Europe. Les résultats dé ces analyses confirment qu'il est difficile de tracer un simple arbre dichotomique au sein de ce groupe. Les arbres phylogénétiques obtenus sur l'ADN mitochondrial et le chromosome Y sont incongruents et suggèrent de plus que l'évolution génétique et chromosomique sont des processus indépendants. L'histoire évolutive -des populations de ce groupe ne peut. être comprise qu'en considérant des contacts secondaires entre taxa postérieure à leur divergence et induisant des échanges génétiques par hybridation et/ou introgression. Par la suite, nous avons examiné la structure génétique des populations de la musaraigne du Valais, S. antinorii, en utilisant un marqueur transmis par les mâles, un marqueur transmis par les femelles et huit marqueurs transmis par les 2 sexes. Nos résultats suggèrent que deux lignées génétiquement bien différenciées aient colonisé les Alpes Suisses, après les dernières glaciations et entrent en contact dans là Vallée du Rhône. Après avoir franchi les Alpes Suisses, la musaraigne du Valais est entrée en contact avec là musaraigne commune (S. araneus). Lorsque deux espèces entrent en contact et s'hybrident, la sélection contre les hybrides implique habituellement une baisse de fertilité ou de viabilité des hybrides du sexe hétérogamétique (i.e. les mâles XY chez les mammifères). Ce mécanisme est connu sous le nom de règle de Haldane (Haldane 1922) et implique une plus forte structuration génétique de marqueurs males - spécifiques que des marqueurs femelles spécifiques. Nous avons donc évalué le degré d'introgression des marqueurs situés sur le chromosome Y, sur l'ADN mitochondrial et sur des autosomes dans une zone hybride entre S. araneus et S. antinorii. Le niveau de différenciation chromosomique et génétique entre les 2 espèces doit être suffisamment fort pour ne pas permettre la détection d'une introgression asymétrique entre les sexes. Dans un second temps, nous avons comparé les niveaux de flux de gênes mesurés à l'échelle du chromosome, pour des chromosomes communs aux deux espèces et pour des chromosomes différemment arrangées dans chacune des deux espèces. Nous avons détecté une structure génétique significativement plus forte sur les chromosomes réarrangés et comme la zone hybride a été étudiée à dix années d'intervalle, nous observons même une diminution de la structure génétique pour les chromosomes communs au cours du temps.. Ces résultats soutiennent fortement l'hypothèse d'un rôle des réarrangements chromosomiques dans l'établissement d'une barrière reproductive entre S. araneus et S. antinorii. Ainsi cette thèse souligne l'utilité d'utiliser des marqueurs génétiques avec différents modes de transmission. (par les mâles, par les femelles et/ou par les 2 sexes) ou localisés au niveau du chromosome (chromosomes communs vs chromosomes réarrangés) afin d'obtenir une image plus juste ou du moins plus complète des relations génétiques entre populations ou espèces.

Natural variation in learning ability in "Drosophila melanogaster"

Learning is the ability of an organism to adapt to the changes of its environment in response to its past experience. It is a widespread ability in the animal kingdom, but its evolutionary aspects are poorly known. Learning ability is supposedly advantageous under some conditions, when environmental conditions are not too stable - because in this case there is no need to learn to predict any event in the environment - and not changing too fast - otherwise environmental cues cannot be used because they are not reliable. Nevertheless, learning ability is also known to be costly in terms of energy needed for neuronal synthesis, memory formation, initial mistakes. During my PhD, I focused on the study of genetic variability of learning ability in natural populations. Genetic variability is the basis on which natural selection and genetic drift can act. How does learning ability vary in nature? What are the roles of additive genetic variation or maternal effects in this variation? Is it involved in evolutionary trade-offs with other fitness-related traits?¦I investigated a natural population of fruit fly, Drosophila melanogaster, as a model organism. Its learning ability is easy to measure with associative memory tests. I used two research tools: multiple inbred and isofemale lines derived from a natural population as a representative sample. My work was divided into three parts.¦First, I investigated the effects of inbreeding on aversive learning (avoidance of an odor previously associated with mechanical shock). While the inbred lines consistently showed reduced egg-to-adult viability by 28 %, the effects of inbreeding on learning performance was 18 % and varied among assays, with a trend to be most pronounced for intermediate conditioning intensity. Variation among inbred lines indicates that ample genetic variance for learning was segregating in the base population, and suggests that the inbreeding depression observed in learning performance was mostly due to dominance rather than overdominance. Across the inbred lines, learning performance was positively correlated with the egg-to-adult viability. This positive genetic correlation contradicts previous studies which observed a trade-off between learning ability and lifespan or larval competitive ability. It suggests that much of the genetic variation for learning is due to pleiotropic effects of genes affecting other functions related to survival. Together with the overall mild effects of inbreeding on learning performance, this suggests that genetic variation specifically affecting learning is either very low, or is due to alleles with mostly additive (semi-dominant) effects. It also suggests that alleles reducing learning performance are on average partially recessive, because their effect does not appear in the outbred base population. Moreover, overdominance seems unlikely as major cause of the inbreeding depression, because even if the overall mean of the inbred line is smaller than the outbred base population, some of the inbred lines show the same learning score as the outbred base population. If overdominance played an important part in inbreeding depression, then all the homozygous lines should show lower learning ability than¦outbred base population.¦In the second part of my project, I sampled the same natural population again and derived isofemale lines (F=0.25) which are less adapted to laboratory conditions and therefore are more representative of the variance of the natural population. They also showed some genetic variability for learning, and for three other fitness-related traits possibly related with learning: resistance to bacterial infection, egg-to-adult viability and developmental time. Nevertheless, the genetic variance of learning ability did not appear to be smaller than the variance of the other traits. The positive correlation previously observed between learning ability and egg- to-adult viability did not appear in isofemale lines (nor a negative correlation). It suggests that there was still genetic variability within isofemale lines and that they did not fix the highly deleterious pleiotropic alleles possibly responsible for the previous correlation.¦In order to investigate the relative amount of nuclear (additive and non-additive effects) and extra-nuclear (maternal and paternal effect) components of variance in learning ability and other fitness-related traits among the inbred lines tested in part one, I performed a diallel cross between them. The nuclear additive genetic variance was higher than other components for learning ability and survival to learning ability, but in contrast, maternal effects were more variable than other effects for developmental traits. This suggests that maternal effects, which reflects effects from mitochondrial DNA, epigenetic effects, or the amount of nutrients that are invested by the mother in the egg, are more important in the early stage of life, and less at the adult stage. There was no additive genetic correlation between learning ability and other traits, indicating that the correlation between learning ability and egg-to-adult viability observed in the first pat of my project was mostly due to recessive genes.¦Finally, my results showed that learning ability is genetically variable. The diallel experiment showed additive genetic variance was the most important component of the total variance. Moreover, every inbred or isofemale line showed some learning ability. This suggested that alleles impairing learning ability are eliminated by selection, and therefore that learning ability is under strong selection in natural populations of Drosophila. My results cannot alone explain the maintenance of the observed genetic variation. Even if I cannot eliminate the hypothesis of pleiotropy between learning ability and the other fitness-related traits I measured, there is no evidence for any trade-off between these traits and learning ability. This contradicts what has been observed between learning ability and other traits like lifespan and larval competitivity.¦L'apprentissage représente la capacité d'un organisme à s'adapter aux changement de son environnement au cours de sa vie, en réponse à son expérience passée. C'est une capacité très répandue dans le règne animal, y compris pour les animaux les plus petits et les plus simples, mais les aspects évolutifs de l'apprentissage sont encore mal connus. L'apprentissage est supposé avantageux dans certaines conditions, quand l'environnement n'est ni trop stable - dans ce cas, il n'y a rien à apprendre - ni trop variable - dans ce cas, les indices sur lesquels se reposer changent trop vite pour apprendre. D'un autre côté, l'apprentissage a aussi des coûts, en terme de synthèse neuronale, pour la formation de la mémoire, ou de coûts d'erreur initiale d'apprentissage. Pendant ma thèse, j'ai étudié la variabilité génétique naturelle des capacités d'apprentissage. Comment varient les capacités d'apprentissage dans la nature ? Quelle est la part de variation additive, l'impact des effets maternel ? Est-ce que l'apprentissage est impliqué dans des interactions, de type compromis évolutifs, avec d'autres traits liés à la fitness ?¦Afin de répondre à ces questions, je me suis intéressée à la mouche du vinaigre, ou drosophile, un organisme modèle. Ses capacités d'apprentissage sont facile à étudier avec un test de mémoire reposant sur l'association entre un choc mécanique et une odeur. Pour étudier ses capacités naturelles, j'ai dérivé de types de lignées d'une population naturelle: des lignées consanguines et des lignées isofemelles.¦Dans une première partie, je me suis intéressée aux effets de la consanguinité sur les capacités d'apprentissage, qui sont peu connues. Alors que les lignées consanguines ont montré une réduction de 28% de leur viabilité (proportion d'adultes émergeants d'un nombre d'oeufs donnés), leurs capacités d'apprentissage n'ont été réduites que de 18%, la plus forte diminution étant obtenue pour un conditionnement modéré. En outre, j'ai également observé que les capacités d'apprentissage était positivement corrélée à la viabilité entre les lignées. Cette corrélation est surprenante car elle est en contradiction avec les résultats obtenus par d'autres études, qui montrent l'existence de compromis évolutifs entre les capacités d'apprentissage et d'autres traits comme le vieillissement ou la compétitivité larvaire. Elle suggère que la variation génétique des capacités d'apprentissage est due aux effets pleiotropes de gènes récessifs affectant d'autres fonctions liées à la survie. Ces résultats indiquent que la variation pour les capacités d'apprentissage est réduite comparée à celle d'autres traits ou est due à des allèles principalement récessifs. L'hypothèse de superdominance semble peu vraisemblable, car certaines des lignées consanguines ont obtenu des scores d'apprentissage égaux à ceux de la population non consanguine, alors qu'en cas de superdominance, elles auraient toutes dû obtenir des scores inférieurs.¦Dans la deuxième partie de mon projet, j'ai mesuré les capacités d'apprentissage de lignées isofemelles issues de la même population initiale que les lignées consanguines. Ces lignées sont issues chacune d'un seul couple, ce qui leur donne un taux d'hétérozygosité supérieur et évite l'élimination de lignées par fixation d'allèles délétères rares. Elles sont ainsi plus représentatives de la variabilité naturelle. Leur variabilité génétique est significative pour les capacités d'apprentissage, et trois traits liés à la fois à la fitness et à l'apprentissage: la viabilité, la résistance à l'infection bactérienne et la vitesse de développement. Cependant, la variabilité des capacités d'apprentissage n'apparaît cette fois pas inférieure à celle des autres traits et aucune corrélation n'est constatée entre les capacité d'apprentissage et les autres traits. Ceci suggère que la corrélation observée auparavant était surtout due à la fixation d'allèles récessifs délétères également responsables de la dépression de consanguinité.¦Durant la troisième partie de mon projet, je me suis penchée sur la décomposition de la variance observée entre les lignées consanguines observée en partie 1. Quatre composants ont été examinés: la variance due à des effets nucléaires (additifs et non additifs), et due à des effets parentaux (maternels et paternels). J'ai réalisé un croisement diallèle de toutes les lignées. La variance additive nucléaire s'est révélée supérieure aux autres composants pour les capacités d'apprentissage et la résistance à l'infection bactérienne. Par contre, les effets maternels étaient plus importants que les autres composants pour les traits développementaux (viabilité et vitesse de développement). Ceci suggère que les effets maternels, dus à G ADN mitochondrial, à l'épistasie ou à la quantité de nutriments investis dans l'oeuf par la mère, sont plus importants dans les premiers stades de développement et que leur effet s'estompe à l'âge adulte. Il n'y a en revanche pas de corrélation statistiquement significative entre les effets additifs des capacités d'apprentissage et des autres traits, ce qui indique encore une fois que la corrélation observée entre les capacités d'apprentissage et la viabilité dans la première partie du projet était due à des effets d'allèles partiellement récessifs.¦Au, final, mes résultats montrent bien l'existence d'une variabilité génétique pour les capacités d'apprentissage, et l'expérience du diallèle montre que la variance additive de cette capacité est importante, ce qui permet une réponse à la sélection naturelle. Toutes les lignées, consanguines ou isofemelles, ont obtenu des scores d'apprentissage supérieurs à zéro. Ceci suggère que les allèles supprimant les capacités d'apprentissage sont fortement contre-sélectionnés dans la nature Néanmoins, mes résultats ne peuvent pas expliquer le maintien de cette variabilité génétique par eux-même. Même si l'hypothèse de pléiotropie entre les capacités d'apprentissage et l'un des traits liés à la fitness que j'ai mesuré ne peut être éliminée, il n'y a aucune preuve d'un compromis évolutif pouvant contribuer au maintien de la variabilité.

" Arabidopsis Thaliana " response to insect feeding : new components controlling defense gene expression and plant resistance

Abstract: Plants cannot run away to escape attacking herbivores, but they defend themselves by producing anti-digestive proteins and toxic compounds (for example glucosinolates). The first goal of this thesis was to study changes in gene expression after insect attack using microarrays. The responses of Arabidopsis thaliana to feeding by the specialist Pieris rapae and the generalist Spodoptera liffora is were compared. We found that the transcript profiles after feeding by the two chewing insects were remarkably similar, although the generalist induced a slightly stronger response. The second goal was to evaluate the implication of the four signals jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA), ethylene (ET), and abscisic acid (ABA) in the control of insect-regulated gene expression. Using signaling mutants, we observed that JA was the predominant signal and that ABA modulated defense gene expression. In contrast, SA and ET appeared to control slightly gene expression, but only after feeding by S. litforalis. The third goal was to establish whether plant responses are really effective against insects. In accordance with the transcript profile, both insects were affected by the JA-dependent defenses, as they performed better on the JA-insensitive mutant. S. littoralis also performed better on ABA-deficient mutants, providing evidence for the role of ABA in defense against insects. When testing indole or aliphatic glucosinolate deficient mutants, we found that they were also more susceptible to insect feeding, providing some of the first genetic evidence for the defensive role of glucosinolates in planta. Finally, a glutathione-deficient mutant, pad2-1, was also more susceptible to insect feeding and we could attribute this phenotype to a lowered accumulation of the major indole glucosinolate. In this thesis, we provide a comprehensive list of insect-regulated genes, including many transcription factors that constitute interesting candidate genes for the further study of insect-induced expression changes. Understanding how the plant responses to insects are regulated will provide tools for a better management of insect pest in the field. Résumé: Les plantes ne peuvent s'échapper pour fuir les insectes qui les attaquent, mais elles se défendent en produisant des protéines anti-digestives et des composés toxiques (par exemple des glucosinolates). Le premier but de cette thèse était d'étudier les changements de l'expression génétique lors d'attaque par des insectes en utilisant des puces à ADN. Nous avons comparé la réponse d'Arabidopsis thaliana à deux espèces d'insectes avec des habitudes alimentaires différentes : le spécialiste Pieris rapae et le généraliste Spodoptera littoralis. Nous avons trouvé que les profils de transcription après l'attaque par les deux insectes sont remarquablement similaires, bien que le généraliste induise une réponse légèrement plus forte. Le deuxième but était de déterminer l'implication de quatre signaux dans le contrôle de la réponse :l'acide jasmonique (JA), l'acide salicylique (SA), l'éthylène (ET), et l'acide abscissique (ABA). En utilisant de mutants de signalisation, nous avons montré que l'acide jasmonique était le signal prédominant et que l'acide abscissique modulait l'expression génétique. D'autre part, l'acide salicylique et l'éthylène contrôlent à un degré moindre l'expression génétique, mais seulement après l'attaque par S. littoralís. Le troisième but était d'établir si les réponses des plantes sont efficaces contre les insectes. En accord avec le profil de transcription, les deux espèces d'insectes se sont mieux développées sur un mutant insensible au JA, indiquant que les défenses contrôlées par ce signal sont cruciales pour la plante. De plus, les larves de S. littorales se sont mieux développées sur des mutants déficients en ABA, ce qui fournit une preuve du rôle de l'acide abscissique dans la défense contre les insectes. En testant des mutants déficients en glucosinolates de type indole ou aliphatique, nous avons trouvé qu'ils étaient plus sensibles aux insectes, démontrant ainsi le rôle défensif des glucosinolates in planta. Finalement, le mutant déficient en glutathion pad2-1 était aussi plus sensible à l'attaque des insectes, et nous avons pu attribuer ce phénotype à une plus faible augmentation d'un indole glucosinolate dans ce mutant. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence un nombre important de gènes contrôlés par les insectes, comprenant de nombreux facteurs de transcription qui constituent des candidats intéressants pour`étudier plus en détail les changements d'expression génétique induits par les insectes. Une meilleure compréhension de la réponse des plantes contre l'attaque des insectes devrait nous permettre de développer de nouvelles stratégies pour mieux gérer les ravageurs des cultures.

La programmmation foetale de la dysfonction vasculaire pulmonaire chez la souris : rôle des mécanismes épigénétiques = Fetal programming of pulmonary vascular dysfunction in mice : role of epigenetic mechanisms

Rapport de synthèseDes événements pathologiques survenant pendant la période foetale prédisposent la descendance aux maladies cardiovasculaires systémiques. Il existe peu de connaissances au sujet de la circulation pulmonaire et encore moins quant aux mécanismes sous-jacents. La sous-alimentation maternelle pendant la grossesse peut représenter un modèle d'investigation de ces mécanismes, parce que chez l'animal et l'homme elle est associée à une dysfonction vasculaire systémique chez la progéniture. Chez le rat, la diète restrictive pendant la grossesse induit une augmentation du stress oxydatif dans le placenta. Les dérivés de l'oxygène sont connus pour induire des altérations épigénétiques et peuvent traverser la barrière placentaire. Nous avons dès lors spéculé que chez la souris la diète restrictive pendant la grossesse induit une dysfonction vasculaire pulmonaire chez sa progéniture qui serait liée à un mécanisme épigénétique.Pour tester cette hypothèse, nous avons examiné la fonction vasculaire pulmonaire et la méthylation de l'ADN pulmonaire à la fin de 2 semaines d'exposition à l'hypoxie chez la progéniture de souris soumises à une diète restrictive pendant la grossesse et des souris contrôles. Nous avons trouvé que la vasodilatation endothélium-dépendante de l'artère pulmonaire in vitro était défectueuse, et que l'hypertension pulmonaire et l'hypertrophie ventriculaire droite induites par l'hypoxie in vivo étaient exagérées chez la progéniture de souris soumises à une diète restrictive pendant la grossesse. Cette dysfonction vasculaire pulmonaire était associée avec une altération de la méthylation de l'ADN pulmonaire. L'administration d'inhibiteurs de la déacétylase des histones, le Butyrate et la Trichostatine-A à la progéniture de souris soumises à une diète restrictive pendant la grossesse a normalisé la méthylation de l'ADN et la fonction vasculaire pulmonaire. Finalement, l'administration du nitroxyde Tempol aux mères durant la diète restrictive pendant la grossesse a prévenu la dysfonction vasculaire et la dysméthylation chez la progéniture.Ces découvertes démontrent que chez la souris la sous-alimentation pendant la gestation induit une dysfonction vasculaire chez la progéniture qui est causée par un mécanisme épigénétique. Il est possible qu'un mécanisme similaire soit impliqué dans la programmation foetale de la dysfonction vasculaire chez les humains.