Role of the epithelial sodium channel (ENaC) and its positive regulator, the channel-activating protease 1 (CAP1) in skin

Summary: The mammalian epidermis is a pluristratified epithelium composed of 90% keratinocytes, and its main function is to serve as barrier for the body. The epithelial sodium channel (ENaC), formed by three homologous subunits α, β and γ is found in a variety of epithelia including epidermis. Previous studies showed that ENaC modulates different aspects of epidermal differentiation, such as synthesis of differentiation-specific proteins and lipid secretion. ENaC plays also a critical role in sodium homeostasis of renal and pulmonary epithelia, and its activity is thereby well controlled by hormones and non-hormonal factors, such as the serine protease CAP1 (channel-activating protease 1), also termed prostasin encoded by Prss8 gene. Serine proteases are proteolytic enzymes involved in numerous physiological and pathological processes in the epidermis. In order to evaluate the role of β and γENaC in epidermis, we analyzed the skin phenotype of β and γENaC null mutant (βENaC-/- and γENaC-/-) mice in comparison with the phenotype of αENaC-deficient mice. Furthermore, keratin14-specific CAP1-deficient mice (Prss8lox/Δ /K14-Cre) were generated in order to unveil the role of the serine protease CAP1 in epidermal development and function. This study reveals that the skin phenotype of βENaC and γENaC null mutant mice is less severe than the one of αENaC-deficient mice. However, all these mice present a common premature lipid secretion in the mid-granular layer of the epidermis. Further, the composition of the lipids of the stratum corneum in αENaC-deficient mice is strongly altered, suggesting that epidermal barrier function is compromised. K14-specific CAP1-deficient newborn mice are born at the expected Mendelian ratio, but die soon after birth, showing that CAP1 is required for postnatal survival. The epidermis of these mice exhibits striking malformations of the stratum corneum showing hyperkeratosis. These defects seriously affect both inward and outward epidermal barrier function, leading to rapid and fatal dehydration. As in αENaC-deficient mice, the lipid composition of the stratum corneum of K14-specific CAP1-deficient mice is disturbed. Furthermore, lack of CAP1 leads to the selective loss of filaggrin monomers, important for keratins aggregation and skin moisturization, and to an increased of aberrant profilaggrin precursors. In conclusion, both ENaC and CAP1 expression in the epidermis are crucial for keratinocyte differentiation processes and/or barrier function. Since the abnormalities in K14-specific CAP1-deficient mice resemble key features of human skin ichthyosis, in particular Harlequin ichthyosis, the study of ENaC and CAP1 mutant mice might allow new insights into mechanisms underlying skin diseases. Résumé: L'épiderme des mammifères est un épithélium pluristratifié, protégeant le corps contre les perturbations extérieures et la déshydratation. Le canal épithélial à sodium (ENaC), formé de trois sous-unités α, β et γ, est exprimé dans de nombreux épithélia, comme l'épiderme. Des études ont montré que l'absence de la sous-unité αENaC modulait différents aspects de la différenciation des kératinocytes de l'épiderme, comme la synthèse de protéines spécifiques ou la sécrétion de lipides dans la couche granulaire de l'épiderme. ENaC joue également un rôle crucial dans l'homéostasie du sodium dans les épithélia électriquement étanches, comme l'épithélium rénal ou pulmonaire. L'activité de ENaC est par conséquent finement régulée, en partie par des hormones, mais aussi par des facteurs non-hormonaux, telle que la sérine protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 >>) (nommée également prostasine et codée par le gène Prss8). Le but de ce travail a donc été d'étudier le rôle des sous-unités β et γENaC dans l'épiderme en comparaison avec celui de la sous-unité α en utilisant des souris mutantes βENaC-/- et γENaC-/-. Dans un deuxième temps, le phénotype d'une souris chez qui CAP1 a été spécifiquement invalidé dans l'épiderme (Prsslox/Δ/K14-Cre) a été analysé, dans le but de mettre en évidence le rôle de cette protéase dans l'épiderme. Comme déjà montré pour les souris αENaC-/-, la sécrétion des lipides dans la couche granulaire de l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/- est prématurée. Cependant, l'hyperplasie et l'expression anormale des protéines marqueurs de la différenciation présents chez les souris αENaC-/- n'ont pas été observés dans l'épiderme des souris βENaC-/- et γENaC-/-. La composition lipidique de la couche cornée des souris αENaC-/- est fortement altérée suggérant que la fonction de barrière de l'épiderme de ces souris est compromise. Les souris mutantes CAP1 ont quant à elles révélé des malformations sévères de leur couche cornée, affectant la fonction de barrière de leur épiderme et conduisant à la mort de ces souris par déshydratation quelques jours après leur naissance. De plus, la composition en lipides de la couche cornée ainsi que la taille des cellules cornées, les cornéocytes, de ces souris sont modifiées par rapport aux souris contrôles. L'invalidation de la protéine CAP1 dans l'épiderme conduit aussi à la perte de la filaggrine, une protéine cruciale pour l'agrégation des kératines dans la couche cornée et le maintien du niveau d'hydratation de la peau, et à l'accumulation de ses précurseurs. En conclusion, l'expression de ENaC et de CAP1 est cruciale pour la différenciation de l'épiderme et/ou sa fonction de barrière. De plus, le phénotype des souris mutantes CAP1 présente des caractéristiques qui ressemblent à celles observées dans certaines pathologies humaines cutanées, comme l'ichthyose d'Harlequin. L'étude des souris mutantes ENaC et CAP1 pourrait donc apporter de nouvelles connaissances dans les mécanismes impliqués dans l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies de la peau chez l'homme. Résumé tout public: La peau est le plus grand organe vital du corps humain. Sa fonction principale est de protéger le corps comme une barrière, contre les agressions extérieures et la déshydratation. De nombreuses maladies de la peau résultent d'une perte de fonction de cette barrière. Bien que les pathologies cutanées soient très bien décrites, leur cause génétique n'est en général pas encore connue. La souris est alors un modèle de choix pour la recherche fondamentale. En effet, grâce aux progrès récents de la science, le génome de la souris peut aujourd'hui être modifié dans le but d'étudier le rôle de nombreuses protéines. Dans différents organes, comme le rein et le poumon, le canal épithélial à sodium (ENaC), composé de trois sous-unités protéiques homologues (α, β, et γ), joue un rôle essentiel dans la réabsorption du sodium. L'activité de ENaC est régulée par de nombreux facteurs hormonaux et non-hormonaux, telle que la protéase CAP1 (« channel-activating protease 1 »). L'invalidation de la sous-unité αENaC chez la souris a permis de montrer que dans la peau, le canal ENaC est impliqué dans la différenciation des cellules de l'épiderme et la croissance des poils. Durant ce travail, le phénotype des souris chez qui la protéine βENaC, γENaC ou CAP1 a été invalidée (souris mutantes), a été étudié dans le but de mieux comprendre le rôle des sous-unités du canal ENaC et de son régulateur CAP1 dans la peau. Les résultats de ce projet ont montré que les souris mutantes βENaC et γENaC présentent un épiderme anormal avec une synthèse prématurée de lipides dans la couche granulaire, suggérant l'implication de ENaC dans la fonction de barrière de la peau. De plus, quand CAP1 est invalidé de manière totale chez les souris, le développement embryonnaire est perturbé et ces souris meurent avant la naissance. CAP1 a donc été invalidé spécifiquement dans l'épiderme des souris. Ces souris mutantes « épiderme-spécifique » naissent normalement, mais meurent peu après la naissance de déshydratation. La couche superficielle de l'épiderme, appelée couche cornée, de ces souris est malformée et ne confère plus à la peau sa fonction de barrière. De plus, les composants de la couche cornée, les cellules cornées entourées de lipides, sont sévèrement altérés. Le phénotype de ces souris ressemble aux caractéristiques présentes chez les patients atteints d'ichthyoses, en particulier l'ichthyose d'Harlequin. En conclusion, le canal ENaC ainsi que son régulateur CAP1 jouent un rôle clé dans les processus de différenciation de l'épiderme et/ou de sa fonction de barrière. De plus, les souris mutantes pour CAP1 et ENaC se révéleront peut-être comme des modèles appropriés dans l'étude de l'ichthyose d'Harlequin ou d'autres maladies cutanées.

Rôle du transporteur de glucose GLUT2 dans les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans le contrôle de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire

Résumé Rôle du transporteur de glucose GLUT2 dans les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans le contrôle de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire. Les mécanismes centraux de glucodétection jouent un rôle majeur dans le contrôle de l'homéostasie glucidique. Ces senseurs régulent principalement la sécrétion des hormones contre-régulatrices, la prise alimentaire et la dépense énergétique. Cependant, la nature cellulaire et le fonctionnement moléculaire de ces mécanismes ne sont encore que partiellement élucidés. Dans cette étude, nous avons tout d'abord mis en évidence une suppression de la stimulation de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire en réponse à une injection intracérébroventriculaire (i.c.v.) de 2-déoxy-D-glucose (2-DG) chez les souris de fond génétique mixte et déficientes pour le gène glut2 (souris RIPG1xglut2-/-). De plus, chez ces souris, l'injection de 2-DG n'augmente pas l'activation neuronale dans l'hypothalamus et le complexe vagal dorsal. Nous avons ensuite montré que la ré-expression de GLUT2 dans les neurones des souris RIPG1xg1ut2-/- ne restaure pas la sécrétion du glucagon et la prise alimentaire en réponse à une injection i.c.v. de 2-DG. En revanche, l'injection de 2-DG réalisée chez les souris RIPG1xg1ut2-/- ré-exprimant le GLUT2 dans leurs astrocytes, stimule la sécrétion du glucagon et l'activation neuronale dans le complexe vagal dorsal mais n'augmente pas la prise alimentaire ni l'activation neuronale dans l'hypothalamus. L'ensemble de ces résultats démontre l'existence de différents mécanismes centraux de glucodétection dépendants de GLUT2. Les mécanismes régulant la sécrétion du glucagon sont dépendants de GLUT2 astrocytaire et pourraient être localisés dans le complexe vagal dorsal. L'implication des astrocytes dans ces mécanismes suggère un couplage fonctionnel entre les astrocytes et les neurones adjacents « sensibles au glucose ». Lors de cette étude, nous avons remarqué chez les souris RIPG1xg1ut2-/- de fond génétique pur C57B1/6, que seul le déclenchement de la prise alimentaire en réponse à l'injection i.p. ou i.c.v. de 2-DG est aboli. Ces données mettent en évidence que suivant le fond génétique de la souris, les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans la régulation de la sécrétion peuvent être indépendants de GLUT2. Summary. Role of transporter GLUT2 in central glucose sensing involved in the control of glucagon secretion and food intake. Central glucose sensors play an important role in the control of glucose homeostasis. These sensors regulate general physiological functions, including food intake, energy expenditure and hormones secretion. So far the cellular and molecular basis of central glucose detection are poorly understood. Hypoglycemia, or cellular glucoprivation by intraperitoneal injection of 2-deoxy¬glucose (2-DG) injection, elicit multiple glucoregulatory responses, in particular glucagon secretion and stimulation of feeding. We previously demonstrated that the normal glucagon response to insulin-induced hypoglycemia was suppressed in mice lacking GLUT2. This indicated the existence of extra-pancreatic, GLUT2-dependent, glucose sensors controllling glucagon secretion. Here, we have demonstrated that the normal glucagon and food intake responses to central glucoprivation, by intracerebroventricular (i.c.v.) injections of 2-DG, were suppressed in mice lacking GLUT2 (RIPG1xglut2-/- mice) indicating that GLUT2 plays a role in central glucose sensing units controlling secretion of glucagon and food intake. Whereas it is etablished that glucose responsive neurons change their firing rate in response to variations of glucose concentrations, the exact mechanism of glucose detection is not established. In particular, it has been suggested that astrocytic cells may be the primary site of glucose detection and that a signal is subsequently transmitted to neurons. To evaluate the respective role of glial and neuronal expression of GLUT2 in central glucodetection, we studied hypoglycemic and glucoprivic responses following cellular glucoprivation in RIPG1xglut2-/- mice reexpressing the transgenic GLUT2 specifially in their astrocytes (pGFAPG2xRIPG1xglut2-/- mice) or their neurons (pSynG2xRIPG1xglut2-/- mice). The increase of food intake after i.p. injection of 2-DG in control mice was not observed in the pGFAPG2xRIPG1xglut2-/- mice. Whereas a strong increase of glucagon secretion was observed in control and pGFAPG2xRIPG1xglut2-/- mice, not glucagonemic response was induced in pSynG2xRIPG1xglut2-/- mice. Our results show that GLUT2 reexpression in glial cells but not in neurons restored glucagon secretion and thus present a strong evidence that glucose detection and the control of glucagon secretion require a coupling between glial cells and neurons. Furthermore, these results show the existence of differents glucose sensors in CNS. Résumé tout public. Rôle du transporteur de glucose GLUT2 dans les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans le contrôle de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire. Chez les mammifères, en dépit des grandes variations dans l'apport et l'utilisation du glucose, la glycémie est maintenue à une valeur relativement constante d'environ 1 g/l. Cette régulation est principalement sous le contrôle de deux hormones produites par le pancréas l'insuline et le glucagon. A la suite d'un repas, la détection de l'élévation de la glycémie par le pancréas permet la libération pancréatique de l'insuline dans le sang. Cette hormone va alors permettre le stockage dans le foie du glucose sanguin en excès et diminuer ainsi la glycémie. Sans insuline, le glucose s'accumule dans le sang. On parle alors d'hyperglycémie chronique. Cette situation est caractéristique du diabète et augmente les risques de maladies cardiovasculaires. A l'inverse, lors d'un jeûne, la détection de la diminution de la glycémie par le cerveau permet le déclenchement de la prise alimentaire et stimule la sécrétion de glucagon par le pancréas. Le glucagon va alors permettre la libération dans le sang du glucose stocké par le foie. Les effets du glucagon et de la prise de nourriture augmentent ainsi les concentrations sanguines de glucose pour empêcher une diminution trop importante de la glycémie. Une hypoglycémie sévère peut entraîner un mauvais fonctionnement du cerveau allant jusqu'à des lésions cérébrales. Contrairement aux mécanismes pancréatiques de détection du glucose, les mécanismes de glucodétection du cerveau ne sont encore que partiellement élucidés. Dans le laboratoire, nous avons observé, chez les souris transgéniques n'exprimant plus le transporteur de glucose GLUT2, une suppression de la stimulation de la sécrétion du glucagon et du déclenchement de la prise alimentaire en réponse à une hypoglycémie, induite uniquement dans le cerveau. Dans le cerveau, le GLUT2 est principalement exprimé par les astrocytes, cellules gliales connues pour soutenir, nourrir et protéger les neurones. Nous avons alors ré-exprimé spécifiquement le GLUT2 dans les astrocytes des souris transgéniques et nous avons observé que seule la stimulation de la sécrétion du glucagon en réponse à l'hypoglycémie est restaurée. Ces résultats mettent en évidence que la sécrétion du glucagon et la prise alimentaire sont contrôlées par différents mécanismes centraux de glucodétection dépendants de GLUT2.

Interaction between dietary lipids an physical inactivity on insulin sensitivity and on intramyocellular lipids in healthy men

Résumé Interaction entre les lipides alimentaires et l'inactivité physique sur la sensibilité à l'insuline et les lipides intramyocellulaires chez le sujet masculin en bonne santé Ces deux dernières décennies, l'incidence de la résistance à l'insuline n'a cessé de progresser dans les pays industrialisés. Un grand nombre de travaux suggèrent que ce trouble métabolique joue un rôle important dans la pathogenèse de maladies propres au monde industrialisé, telles que le diabète, l'hypertension et les maladies cardiovasculaires. Malgré de nombreuses études, les mécanismes à l'origine de la résistance à l'insuline restent encore incomplètement élucidés. En plus d'une composante génétique, de nombreux facteurs environnementaux semblent impliqués parmi ces derniers, nous nous sommes intéressés à l'effet d'une alimentation riche en graisses associée à une période d'inactivité physique de courte durée. Nous nous sommes également penchés sur la corrélation décrite entre la résistance à l'insuline et la concentration de graisses présentes à l'intérieur des cellules musculaires squelettiques, appelées lipides intramyocellulaires. Pour ce faire, 8 volontaires masculins ont été étudiés à deux occasions. Après deux jours de diète équilibrée associée à une activité physique, les participants étaient confinés au lit strict pour 60 heures et devaient manger une alimentation soit riche en graisses saturées soit riche en hydrates de carbones. Pour évaluer l'effet de l'alimentation seule, 6 des 8 volontaires ont été réétudiés après deux jours de diète équilibrée suivie par 60 heures d'alimentation riche en graisses saturées associées à une activité physique contrôlée. Nous avons estimé la sensibilité à l'insuline par la technique du clamp hyperinsulinémique euglycémique alors que la concentration de lipides intramyocellulaires a été déterminée par spectroscopie par résonance magnétique. Après 60 heures d'inactivité physique associée à une alimentation riche en lipides, nous avons observé une diminution de l'utilisation de glucose dépendante de l'insuline (-24±6%; p<0.05), alors qu'aucune modification significative de ce même paramètre n'a été constatée lorsque l'inactivité physique était associée à une alimentation riche en hydrates de carbones (+19±10%). Ces deux conditions se sont accompagnées d'une augmentation des lipides intramyocellulaires (+32±7% et +17±8% respectivement). Bien que l'augmentation des lipides intramyocellulaires observée après 60 heures d'une alimentation riche en graisses saturées associée à une activité physique modérée fût d'une ampleur similaire à celle de la condition associant une alimentation riche en graisses et inactivité physique, l'utilisation de glucose induite par l'insuline n'a pas été modifiée de manière significative (-7±9%) Ces résultats indiquent que l'inactivité physique et une alimentation riche en graisses saturées semblent interagir, induisant une diminution de la sensibilité à l'insuline globale. La concentration de lipides intramyocellulaires a été influencée par les lipides issus de l'alimentation et l'inactivité physique, sans être toutefois corrélée à la résistance à l'insuline. Abstract OBJECTIVE - To assess the effect of a possible interaction between dietary fat and physical inactivity on whole-body insulin sensitivity and intramyocellular lipids (IMCLs). RESEARCH DESIGN AND METHODS - Eight healthy male volunteers were studied on two occasions. After 2 days of an equilibrated diet and moderate physical activity, participants remained inactive (bed rest) for 60 h and consumed either a high-saturated fat (45% fat, of which ~60% was saturated fat [BR-HF]) or a high-carbohydrate (70% carbohydrate [BR-HCHO]) diet. To evaluate the effect of a high-fat diet alone, six of the eight volunteers were restudied after a 2-day equilibrated diet followed by 60 h on a high-saturated fat diet and controlled physical activity (PA-HF). Insulin sensitivity was measured by hyperinsulinemic-euglycemic clamp and IMCL concentrations by H-magnetic resonance spectroscopy. RESULTS - Insulin-mediated glucose disposal was decreased by BR-HF condition (-24 ± 6%, P < 0.05) but did not change with BR-HCHO ( + 19 ± 10%, NS). BR-HF and BR-HCHO increased IMCL levels (+32 ± 7%, P < 0.05 and +17 ± 8%, P < 0.0011, respectively). Although the increase in IMCL levels with PA-HF (+31 ± 19%, P = 0.12) was similar to that during BR-HF, insulin-mediated glucose disposal ( -7 ± 9%, NS) was not decreased. CONCLUSIONS - These data indicate that physical inactivity and a high-saturated fat diet may interact to reduce whole-body insulin sensitivity. IMCL content was influenced by dietary lipid and physical inactivity but was not directly associated with insulin resistance.

Phenotypic and molecular characterization of Bruck syndrome (Osteogenesis imperfecta with contractures of the large joints) caused by a recessive mutation in PLOD2

Le Syndrome de Bruck (Bruck Syndrome; BS) est une maladie autosomique récessive assemblant la combinaison inhabituelle de fragilité osseuse semblable à celle de l'Ostéogenèse Imparfaite (0I) avec des contractures congénitales tendineuses et cutanées des grandes articulations («ptérygia»). Les cas décrits jusqu'à ce jour mettent en évidence une grande hétérogénéité du tableau clinique, liée en partie au manque d'un diagnostic biochimique ou moléculaire. Nous savons que dans le BS les gènes codant pour le collagène 1 ne sont pas mutés, mais savons néanmoins, grâce à l'étude du collagène extrait de biopsies osseuses, qu'il y a un déficit d'hydroxylation des résidus de lysine dans les télopeptides du collagène 1 qui servent à la formation des liens intermoléculaires (crosslinks) et donc à la stabilisation des fibres de collagène. Un locus génétique du BS à été mappé sur 17q12, mais le gène responsable sur ce locus reste inconnu; plus récemment, deux mutations dans le gène de la lysyl hydroxylase 2 (PLOD2, position chromosomique 3q23-q24) ont été identifiées, démontrant l'hétérogénéité génétique du ES. La proportion de ES liée à 17p22 (BS type 1) et celle liée à une mutation dans PLOD2 (BS type 2) est encore incertaine et nous manquons de données sur la corrélation phenotype-génotype. Nous avons étudié le cas d'un garçon avec des contractures et des ptérygia dès la naissance, combinées à une ostéopénie sévère de type OI menant à des fractures multiples. Ses urines contenaient une quantité élevée d'hydroxyproline, indiquant un remaniement important du tissu osseux, mais peu de produits de dégradation des crosslinks du collagène, indiquant donc une réduction de la proportion de crosslinks dans le collagène in vivo. Nous avons pu démontrer chez lui la présence d'une nouvelle mutation homozygote dans le gène PLOD2 menant à une substitution Arg598His; les deux parents du sujet étaient hétérozygotes pour la mutation et celle-ci était absente dans notre population témoin. La mutation est adjacente aux deux mutations rapportées précédemment (Gly601Val et Thr608Ile), ce qui suggère la présence d'un ''hotspot'' mutationnel mais aussi d'une région de grande importance fonctionnelle sur PLOD2 : cette observation est importante pour la création d'inhibiteurs de PLOD2, recherchés en ce moment pour le traitement de la fibrose. La combinaison de ptérygia et de fragilité osseuse, comme illustrée par notre patient est apparemment contradictoire et donc difficilement explicable mais indique que l'hydroxylation des résidus lysyl des télopeptides est importante non seulement pour la stabilité osseuse mais aussi dans la morphogénèse et la formation des articulations dans la période prénatale. Finalement, la mesure des produits de dégradation du collagène dans l'urine et l'analyse de mutation de PLOD2 permet le diagnostic du syndrome de Bruck et permet de le différencier de l'Osteogénèse Imparfaite. -- Bruck syndrome (BS) is a recessively-inherited phenotypic disorder featuring the unusual combination of skeletal changes resembling osteogenesis imperfecta (0I) with congenital contractures of the large joints. Clinical heterogeneity is apparent in cases reported thus far. While the genes coding for collagen 1 chains are unaffected in BS, there is biochemical evidence for a defect in the hydroxylation of lysine residues in collagen 1 telopeptides. One BS locus has been mapped at 17p12, but more recently, two mutations in the lysyl hydroxylase 2 gene (PLOD2, 3q23-q24) have been identified in BS, showing genetic heterogeneity. The proportion of BS cases linked to 17p22 (BS type 1) or caused by mutations in PLOD2 (BS type 2) is still uncertain, and phenotypic correlations are lacking. We report on a boy who had congenital contractures with pterygia at birth and severe 0I-like osteopenia and multiple frac-tures. His urine contained high amounts of hydroxyproline but low amounts of collagen crosslinks degradation products; and he was shown to be homozygous for a novel mutation leading to an Arg598His substitution in PLOD2. The mutation is adjacent to the two mutations previously reported (Gly601Val and Thr608Ile), suggesting a functionally important hotspot in PLOD2. The combination of pterygia with bone fragility, as illustrated by this case, is difficult to explain; it suggests that telopeptide lysyl hydroxylation must be involved in prenatal joint formation and morphogenesis. Collagen degradation products in urine and mutation analysis ofPLOD2 maybe used to diagnose BS and differentiate it from M.

Molecular genetics of rare hereditary diseases via genome-wide and integrated approaches

ABSTRACTThe Online Mendelian Inheritance in Man database (OMIM) reports about 3000 Mendelian diseases of known causal gene and about 2000 that remain to be mapped. These cases are often difficult to solve because of the rareness of the disease, the structure of the family (too big or too small) or the heterogeneity of the phenotype. The goal of this thesis is to explore the current genetic tools, before the advent of ultra high throughput sequencing, and integrate them in the attempt to map the genes behind the four studied cases. In this framework we have studied a small family with a recessive disease, a modifier gene for the penetrance of a dominant mutation, a large extended family with a cardiac phenotype and clinical and/or allelic heterogeneity and we have molecularly analyzed a balanced chromosomal translocation.RESUMELa base de données des maladies à transmission mendélienne, Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), contient environ 3000 affections à caractère mendélien pour lesquelles le gène responsable est connu et environ 2000 qui restent à élucider.Les cas restant à résoudre sont souvent difficiles soit par le caractère intrinsèquement rare de ces maladies soit à cause de difficultés structurelles (famille trop petite ou trop étendue) ou hétérogénéité du phénotype ou génétique. Cette thèse s'inscrit avant l'arrivée des nouveaux outils de séquençage à haut débit. Son but est d'explorer les outils génétiques actuels, et de les intégrer pour trouver les gènes impliqués dans quatre cas représentant chacun une situation génétique différente : nous avons étudié une famille de quatre individus avec une transmission récessive, recherché un gène modificateur de la pénétrance de mutations dominantes, étudié une famille étendue présentant un phénotype cardiaque cliniquement et/ou allèliquement hétérogène et nous avons fait l'analyse moléculaire d'une translocation chromosomique balancée.

Genetic dissection of c-Myc function during mouse organogenesis

Résumé Le gène c-myc est un des oncogènes les plus fréquemment mutés dans les tumeurs humaines. Même si plus de 70 % des cancers humains montrent une dérégulation de c-Myc, les connaissances sur son rôle physiologique pendant le développement, et dans la souris adulte restent très peu connus. Récemment, notre laboratoire a pu montrer que c-Myc contrôle l'équilibre entre le renouvellement et la différenciation des cellules souches hématopoïetiques (CSH) dans la souris adulte. Ceci est probablement dû à lacapacité de c-Myc de contrôler l'entrée et la sortie des CSH de leur niche de la moelle osseuse, en régulant plusieurs molécules d'adhésion, parmi lesquelles la cadhérine-N (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp, 2006). Des études utilisant un mutant d'inactivation ont demontré que la protéine c-Myc est essentielle pour le développement au delà du jour embryonnaire E9.5. Les embryons c-Myc déficients sont plus petits que la normale et possèdent de nombreux défauts; en particulier ils ne peuvent établir un système hématopoietique embryonnaire primitif (Trumpp et al., 2001). Nous avons récemment découvert que le développement du placenta dépend de la présence de cMyc. Ceci permet de proposer que certains, sinon tous, les défauts embryonnaires puorraient dériver indirectement d'un défaut nutritionnel causé par la défaillance du placenta. Afin de répondre à cette question de manière génétique, nous avons utilisé l'allele conditionel c-mycflox (Trumpp et al., 2001) en combinaison avec l'allele Sox2-Cre (Hayashi et al., 2002). Celui-ci détermine l'expression de la récombinase Cre spécifiquement dans les cellules de l'épiblaste à partir de E6.5, tandis qu'il n'y a pas, ou seulement très peu, d'activité de la récombinase Cre dans les tissus extraembryonnaires.Alnsi, cette stratégie nous permet de générer des embryons sans c-Myc qui se développent en présence d'un compartment extraembryonnaire ou c-Myc est exprimé normalement (Sox2Cre;c-mycflox2) Ces embryons, Sox2Cre;c-mycflox2 se développent et grandissent normalement tout en formant un système vasculaire normal, mais meurent à E11.5 à cause d'un sévère manque de cellules hématopoïetiques. De façon très intéressante, la seule population qui semble être présente en nombre à peu près normal dans ces embryons est celle des précurseurs et des cellules souches. Les cellules qui forment cette population prolifèrent normalement mais ne peuvent pas former des colonies in vitro, ce qui montre que ces cellules ont perdu leur activité de cellules souches. Cependant, lorsque nous avons analysé ces cellules plus en détail en éxaminant l'expression des molécules d'intégrine nous avons découvert que l'integrine ß est sur-éxprimée à la surface des cellules c-Myc déficientes. Ceci pourrait indiquer un mécanisme par lequel c-Myc régule des molécules d'adhésion sur les cellules du sang. En conséquence, en absence de c-Myc, l'adhésion et la migration des cellules du sang de l'AGM (Aorte-Gonade-Mésonéphros) vers le foie de l'embryon, à travers le système vasculaire, est compromise. En outre, nous avons pu montrer que les hépatocytes du foie, qui constitue le site principal de formation des cellules hématopoïetiques pendant le développement, est sévèrement atteint dans des Sox2Cre;c-mycflox2 embryons. Ceci n'est pas du à un défaut propre aux cellules hépatiques qui ont perdu c-Myc, mais résulte plutôt de l'absence de cellules hématopoietïques qui normalement colonisent le foie à ce stade du développement. Ces résultats représentent la première preuve directe que le développement des hépatoblastes est dépendant de signaux provenant des cellules du sang. Summary The myc gene is one of the most frequently mutated oncogenes in human tumors. It is found to be mis-regulated in over 70% of all human cancers. However, our knowledge about its physiological role in mammalian development and adulthood remains limited. Recent work in our laboratory showed that c-Myc controls the balance between hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and differentiation in the adult mouse. This is likely due to the capacity of c-Myc to control entry and exit of HSCs from the bone marrow niche by regulating a number of cell adhesion molecules including N-cadherin (Wilson et al., 2004; Wilson and Trumpp 2006). During development knockout studies showed that c-Myc is required for embryonic development beyond embryonic day (E) 9.5. c-Myc deficient embryos are severely reduced in size and show multiple defects including the failure to establish a primitive hematopoietic system (Trumpp et al., 2001). Importantly, we recentry uncovered that placental development also seems to depend on normal c-Myc function, raising the possibility that some if not all of the embryonic defects observed could be mediated indirectly by a nutrition defect caused by placental failure. To address this possibility genetically, we took advantage of the conditional c-mycflox allele (Trumpp et al., 2001) in combination with the Sox2-Cre allele (Hayashi et al., 2002), in which Cre expression is specifically targeted to all epiblast cells by E6.5, while there is little or no Cre activity inextra-embryonic lineages. Thus, this strategy allows the generation of c-Myc deficient embryos, which develop within a normal c-Myc expressing extra-embryonic compartment (Sox2Cre;c-mycflox2) Such Sox2Cre;c-mycflox2 embryos develop and grow appropriately and form a normal vascular system but die at E11.5 due to a severe lack of blood cells. Interestingly, the only hematopoietic population that seems to be present in almost normal numbers in the embryo is the stem/progenitor cell population. Cells within this populatíon proliferate normal but can not give rise to hematopoietic colonies in vitro showing that functional hematopoietic stem cell (HSC) activity is lost. However, when we analyzed these phenotypic HSCs in more detail and examined integrin expression in mutant stem/progenitor cells, we observed that ß1-integrin is upregulated. This may point to a potential mechanism whereby c-Myc regulates adhesíon molecules on hematopoietic cells and thereby disturbs adhesion and migration from the AGM (aorta-gonads-mesonephros) through the vascular system to the liver. Furthermore, we uncovered that the fetal liver, the main site of hematopoietic expansion at that stage, is severely affected in Sox2Cre;c-mycflox2 embryos and that this is not due to a cell intrinsic defect of c-Myc deficient hepatocytes but rather due to the lack of hematopoietic cells that normally colonize the fetal liver at that stage of development. This provides first direct evidence that hepatoblast development depends on signals derived from blood cells.

Risk assessment of recurrence in sporadic retinoblastoma using a molecular-based algorithm

Le rétinoblastome (Rb) est une tumeur provenant des cellules rétiniennes progénitrices des photorécepteurs. C'est la tumeur pédiatrique maligne la plus fréquente avec une incidence par naissance évaluée entre 1/15Ό00 et 1/20Ό00. Les enfants atteints de Rb sont diagnostiqué dans leur grande majorité avant l'âge de 4 ans, soit le temps nécessaire à la différentiation et à la maturation des photorécepteurs et donc à la disparition de la cellule d'origine du Rb. La survie du patient, la sauvegarde oculaire et le pronostic visuel restent excellents pour autant que le traitement ne soit pas différé. Dans sa variante non héréditaire (60%) le Rb est toujours unilatéral et sporadique. Le Rb héréditaire de transmission dominante autosomique (40%), se décline sous toutes les formes, familiale (10%) ou sporadique (30%), que l'atteinte soit unilatérale ou bilatérale. La majorité des mutations causales sont uniques et distribuées de façon aléatoire sur la totalité du gène RB1 sans région prédisposante. La détection de ces mutations est couteuse et chronophage, tout en présentant un taux de détection relativement bas; surtout dans les cas de Rb sporadiques unilatéraux. Dans le but d'identifier les patients présentant un risque réel de développer un Rb, et de réduire le nombre d'examens sous narcose requis pour le dépistage de la maladie chez les sujets à risque, nous avons développé une stratégie sensible, rapide, efficace et peu couteuse basée sur une analyse de l'haplotype intragénique. Cet algorithme prend en compte a) la perte d'hétérozygotie intratumorale du gène RB1, b) l'origine paternelle préférentielle des nouvelles mutations germinales et c) un risque a priori dérivé des données empiriques de Vogel. Pendant la période allant de janvier 1994 à décembre 2006, nous avons comparé l'apparition de nouveau Rb parmi la fratrie et la descendance de patient atteints au nombre de nouveaux cas attendus calculé par notre algorithme. 134 familles ont été étudiées. L'analyse moléculaire a été effectuée chez 570 personnes dont 99 patients âgés de moins de 4 ans et donc à risque de développer un Rb. Parmi cette cohorte, nous avons observé l'apparition d'un cas de Rb, alors que les risques cumulés a posteriori calculé par notre algorithme prédisait l'apparition de 1.77 nouveau cas. Dans cette étude, nous avons pu valider notre algorithme prédisant la récurrence de Rb chez les parents de 1er degré de patients atteints. Cet outil devrait grandement faciliter le conseil génétique ainsi que le suivi des patients à risque de développer un Rb, surtout dans les cas ou le séquençage direct du gène RB1 n'est pas disponible ou est resté non informatif. - Purpose: Most RBI mutations are unique and distributed throughout the RBI gene. Their detection can be time-consuming and the yield especially low in cases of conservatively-treated sporadic unilateral retinoblas-toma (Rb) patients. In order to identify patients with true risk of developing Rb, and to reduce the number of unnecessary examinations under anesthesia in all other cases, we developed a universal sensitive, efficient and cost-effective strategy based on intragenic haplotype analysis. Methods: This algorithm allows the calculation of the a posteriori risk of developing Rb and takes into account (a) RBI loss of heterozygosity in tumors, (b) preferential paternal origin of new germline mutations, (c) a priori risk derived from empirical data by Vogel, and (d) disease penetrance of 90% in most cases. We report the occurrence of Rb in first degree relatives of patients with sporadic Rb who visited the Jules Gonin Eye Hospital, Lausanne, Switzerland, from January 1994 to December 2006 compared to expected new cases of Rb using our algorithm. Results: A total of 134 families with sporadic Rb were enrolled; testing was performed in 570 individuals and 99 patients younger than 4 years old were identified. We observed one new case of Rb. Using our algorithm, the cumulated total a posteriori risk of recurrence was 1.77. Conclusions: This is the first time that linkage analysis has been validated to monitor the risk of recurrence in sporadic Rb. This should be a useful tool in genetic counseling, especially when direct RBI screening for mutations leaves a negative result or is unavailable.

Analyse de la production thymique et de la prolifération périphérique des lymphocytes T CD4 et CD8 durant la phase chronique de l'infection à VIH-1

RESUME Dans le cadre de l'infection à VIH-1, deux mécanismes généraux, a) une destruction périphérique massive ou b) un défaut dans la production périphérique ou centrale de nouvelles cellules, pourraient être à l'origine de l'épuisement des lymphocytes T CD4. La question soulève une importante controverse. Dans cette étude, la production thymique et la capacité de prolifération de lymphocytes T ont été étudiées conjointement. La production thymique a été évaluée par l'analyse du contenu en cercles d'excision générés lors du réarrangement du récepteur aux cellules T (ou TRECs) des cellules T CD4 et CD8 périphériques, provenant de sujets sains VIH-1 négatifs (n=120) ou infectés par le VIH-1 (n=297), au stade précoce, intermédiaire et tardif de la phase chronique de la maladie. Au stade précoce, nous observons que le contenu en TRECs de la population CD4 est supérieur à celui de la population contrôle. Aucune différence n'est observée lors de la phase intermédiaire, alors que le contenu en TRECs est inférieur lors de la phase tardive, en comparaison avec le groupe contrôle. Pour les lymphocytes T CD8, le contenu en TRECs reste inférieur au groupe contrôle, à tous les stades de la maladie. Ainsi, au stade précoce, la production thymique chercherait à compenser la perte de lymphocytes T CD4 puis, avec l'évolution de la maladie, cette possibilité s'épuiserait. Les profils d'expression des gènes régulateurs du cycle cellulaire pour les cellules T CD4 et CD8 périphériques, obtenus par la méthode des biopuces d'ADNc (microarray), ont permis l'analyse de la capacité de prolifération périphérique des lymphocytes T. Trois populations cellulaires ont été comparées entre elles : lymphocytes provenant de sujets infectés par le VIH-1, lymphocytes provenant de sujets VIH-1-négatifs et lymphocytes activés in vitro provenant de sujets VIH-1-négatifs. Les résultats montrent, pour les cellules T CD8, un état d'activation et un profil d'expression des gènes régulateurs du cycle cellulaire comparables à ceux des cellules activées in vitro. Le profil d'expression génétique des cellules T CD4, par contre, montre une activation sub-optimale, conjointement à une forte expression de p53, ce qui pourrait amener à un bloc en phase G1 du cycle cellulaire ainsi qu'à une forte apoptose. En conclusion, cette perturbation de la progression du cycle cellulaire des lymphocytes T CD4 périphériques pourrait contribuer à l'échec de la restauration du nombre de lymphocytes T CD4 et ceci, malgré une production thymique conservée dans les stades précoces de la maladie, comme démontré par l'analyse du contenu en TRECs.

Genetic variability in Arbuscular Mycorrhizal Fungi : effect on gene transcription of "Oryza Sativa"

AbstractArbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) form obligate symbioses with the majority of land plants. These fungi influence the diversity and productivity of plants. AMF are unusual organisms, harbouring genetically different nuclei in a common cytoplasm (known as heterokaryosis). Genetic variability has been shown between AMF individuals coming from the same population. Recent findings showed that genetic exchange between genetically different AMF individuals was possible. Additionnaly, segregation was shown to occur at spore formation in AMF. These two processes were shown to increase genetic variability between AMF individuals.Because of the difficulty to study these organisms, almost nothing is known about the effect of intra-specific genetic variability in AMF on the plant transcriptome. The aim of this thesis was to bring insights into the effect of intra-specific genetic variability in AMF on plant gene transcription. We demonstrated that genetic exchange could influence expression of some symbiosis specific plant genes and the timing of the colonization of the fungi in plant roots. We also showed that segregation could have a large impact on plant gene transcription. Taken together, these results demonstrated that AMF intra-specific variability could profoundly affect the life of plants by altering various molecular pathways. Moreover, results obtained on rice open a field of research on AMF genetics in impromvment of growth in agricultural plants and should be taken into account for future experiments.RésuméLes champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment une symbiose obligatoire avec la majorité des plantes sur terre. Ces champignons peuvent influencer la diversité et la productivité des plantes avec lesquelles ils forment la symbiose. Les CEA sont des organismes particuliers de part le fait qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents (appelés hétérocaryosis) dans un cytoplasme commun. Il a été montré qu'il existait de la variabilité génétique intra-specific chez les CEA. De plus, des études recentes ont montré que l'échange génétique chez les CEA était possible entre des individus génétiquement différents tout comme la ségrégation qui a aussi été démontrée au moment de la formation des nouvelles spores chez les CEA. Ces deux processus ont été montrés comme pouvant créer aussi de la variabilité génétique intra-specific.Du fait de la difficulté de travailler avec les CEA et à cause de la nouveauté de ces recherches, très peu de choses sont connues sur l'effet de l'échange génétique et de la ségrégation chez les CEA sur les plantes, et particulièrement au niveau moléculaire. Le but de cette thèse a été d'apporter la lumière sur les effets de la viariabilité génétique intra-specific chez les CEA, sur la transcription des gènes chez la plante. Nous avons pu montrer que l'échange génétique pouvait avoir des effets sur l'expression de gènes spécifiques à cette symbiose mais aussi pouvait influencer le timing de colonisation des racines de plantes par les CEA. Nous avons aussi montré que la ségrégation pouvait grandement influencer le transcriptome complet de la plante, et pas seulement les voies métaboliques spécifiques à la symbiose comme cela avait été montré auparavant.L'ensemble de ces résultats démontre l'importance de la variation intra-specific chez les CEA sur les plantes et leur implication sur leur cycle de vie en changeant l'expression de voies métaboliques. De plus, ces résultats obtenus sur le riz ouvrent un champ de recherches sur les plantes destinées à l'agriculture et devraient être pris en compte pour des expériences futures.

Functional and molecular evolutionary analysis of the "Brevix Radix" gene family in mono-and dicotyledonous plants

ABSTRACTIn contrast to animals, plants cannot move from their place of birth and, therefore, need to adapt to their particular habitat in order to survive. Thus, plant development is remarkably plastic, making plants an ideal system for the isolation of genes that account for intraspecific natural variation and possibly environmental adaptation. However, to date, this approach mostly identified null alleles and missed mutations with subtle effects. For instance, BREVIS RADIX (BRX) has been isolated as a key regulator of root growth through a naturally occurring loss-of-function allele in the Arabidopsis thaliana accession Uk-1 and is the founding member of a highly-conserved plant-specific gene family.In this work, we show that a strong selective pressure is acting on the BRX gene family and dates back before the monocot-dicot divergence. However, functional diversification is observed mainly in dicotyledon BRX family genes and is correlated with acceleration in the evolutionary rates in the N-terminal regions. Population genetic data revealed that BRX is highly conserved across Arabidopsis accessions and presents signatures of adaptation. Interestingly, a seven amino acid deletion polymorphism in BRX sequence was found in a few accessions, which seems to be responsible for their enhanced primary root growth. Nevertheless, BRX might not only be active in the root, as suggested by its expression in the shoot. Indeed, leaves and cotyledons of brx mutants are significantly smaller than wild- type. This phenotype is a direct consequence of the absence of BRX function in the shoot rather than an indirect effect of an altered root system growth. Interestingly, cotyledons of brx plants reflect the same physiological defects as the root. Moreover, phenotypes in BRX gain-of-function plants, such as epinastic leaves and increased epidermal cell size, could be associated with an increase in leaf brassinosteroid content.Collectively, these results indicate that BRX contributes to local adaptation by ubiquitously regulating plant growth, probably through the modulation of brassinosteroid biosynthesis.RÉSUMÉContrairement à la plupart des animaux, les plantes ne peuvent se mouvoir et doivent ainsi s'adapter à leur environnement pour survivre. Pour cette raison, elles représentent un système idéal pour l'identification de gènes contribuant à la variation naturelle intra- spécifique, ainsi qu'à l'adaptation. Cependant, cette approche a, jusqu'à présent, surtout permis d'isoler des allèles nuls et non des mutations conférant des effets plus subtiles. C'est le cas du gène Β REVIS RADIX (BRX), un régulateur clé de la croissance racinaire, qui a été identifié grâce à un allèle non-fonctionnel présent dans l'accession naturelle d'Arabidopsis thaliana Uk-1. BRX et ses homologues des plantes mono- et dicotylédones forment une famille très conservée et spécifique aux plantes.Dans ce travail, nous démontrons que la famille de gènes BRX est soumise à une forte pression de sélection qui remonte avant la divergence entre mono- et dicotylédones. Cependant, une diversification fonctionnelle a été observée chez les gènes des dicotylédones et corrèle avec une accélération de la vitesse d'évolution dans leur région N- terminale. Une analyse génétique de différentes accessions naturelles d'Arabidopsis a révélé que BRX est hautement conservé et présente des signatures d'adaptation. Remarquablement, un polymorphisme de délétion de sept acides aminés a été détecté dans quelques accessions et a pour conséquence une plus forte croissance de la racine primaire. Néanmoins, il semble que le rôle de BRX ne se limite pas qu'à la racine, comme indiqué par son expression dans les parties aériennes de la plante. En effet, les mutants brx présentent des cotylédons et des feuilles significativement plus petits que le type sauvage, une conséquence directe de l'absence d'activité de BRX dans ces organes. Nous avons aussi noté que les cotylédons des mutants brx, à l'instar des racines, ont une perception altérée de l'auxine et peuvent être complémentés par l'application exogène de brassinostéroïdes. De plus, dans des plantes présentant un gain de fonction BRX, les feuilles sont épinastiques et les cellules de leur épiderme plus grandes. Ces phénotypes sont accompagnés d'une augmentation de la concentration de brassinostéroïdes dans les feuilles. Conjointement, ces résultats démontrent que BRX contribue à une adaptation locale de la plante par la régulation générale de sa croissance, probablement en modulant la biosynthèse des brassinostéroïdes.

Je t'aide moi non plus: biologique, comportemental ou psychologique, l'altruisme dans tous ses états

« Je t'aime moi non plus », le titre de la fameuse chanson de Gainsbourg reflète de manière exquise ce que la vie a de beau et d'amer à la fois. A défaut de traiter d'amour, cet ouvrage analyse les méandres de l'aide à sens unique. L'altruisme, ce comportement de don sans attente de retour de service, est abordé ici de manière scientifique et philosophique plutôt que poétique et littéraire. Un objectif est d'en traquer les mécanismes sous-jacents, ceux qui échappent à tout romantisme et se traduisent souvent en calculs de coûts et bénéfices. Il s'agit également d'approfondir les diverses manières de comprendre et de pratiquer l'altruisme. Souvent considéré comme une des plus grandes vertus humaines, l'objet de nombreux écrits philosophiques et psychologiques, l'altruisme peut-il se trouver chez les abeilles et les marmottes ? Posez la question à un biologiste de l'évolution et il vous répondra « Mais oui, évidemment ! ». A première vue, une telle réponse est consternante mais nous verrons qu'à y regarder de plus près, les philosophes et les biologistes ne parlent pas exactement de la même chose en utilisant le même terme. L'hétérogénéité des disciplines intéressées à l'altruisme et des contextes théoriques dans lesquels il est utilisé en ont fait une notion extrêmement complexe et difficile à saisir. Au sein des différentes sciences sociales et du vivant, l'altruisme est un élément pivot dans trois débats dont cet ouvrage prend le temps de retracer les contours. Tantôt, l'altruisme se profile en danger (apparent) pour la théorie de l'évolution darwinienne (chap. 1), tantôt, il sert de cheval de bataille dans la croisade contre l'idéal de l'homo economicus si souvent prôné en économie (chap. 2 et 3), tantôt il est une énigme à découvrir dans les méandres de nos motivations intimes (chap. 3). Dans le cadre de ces différents débats, la notion d'altruisme prend des significations sensiblement différentes. Pour en rendre compte, l'ensemble de l'ouvrage s'articule autour d'une triple distinction fondamentale : l'altruisme peut être compris au sens biologique, comportemental ou psychologique. Chacune de ces notions est utilisée dans un contexte spécifique au sein de sciences qui ont leurs propres traditions et leurs propres débats internes. La structure de l'ouvrage est organisée en fonction de cette triple distinction. Le premier chapitre est consacré à l'altruisme biologique, définit en termes de valeur de survie et de reproduction (fitness) : un comportement est altruiste s'il a pour effet d'augmenter la fitness d'autrui aux dépens de sa propre fitness. L'observation de comportements altruistes au sein du monde animal a posé un des plus grands défis à la théorie de l'évolution depuis la publication de l'Origine des espèces. Des générations de biologistes se sont attelés à la tâche d'expliquer comment un comportement qui augmente la fitness biologique d'autres organismes aux dépends de la fitness de l'agent a pu être sélectionnée au fil de l'évolution. Nous verrons que c'est grâce aux travaux de William Hamilton et d'autres que cette difficulté a pu être résolue. Le deuxième chapitre retrace les attaques d'une frange d'économistes (supportés dans leur effort critique par des théoriciens des jeux et anthropologues évolutionnistes), contre le modèle classique de l'homo economicus. Leur objectif est de montrer que des personnes ordinaires ne se comportement souvent pas en maximisateurs rationnels de leurs gains propres, comme le prédirait la théorie économique néo-classique. Dans le cadre de ce débat, c'est du comportement social spécifiquement humain et plus particulièrement de l'altruisme humain dont il est question. Le terme d'altruisme est alors utilisé dans un sens plus lâche que ne le font les biologistes ; ce que l'on appellera l'altruisme comportemental comprend les actions coûteuses pour l'agent et avantageuses pour autrui. La particularité humaine fournira également l'occasion de traiter la délicate question des rapports entre l'évolution génétique et la culture. Nous verrons que l'étude du comportement animal fournit les premiers éléments d'explication de l'altruisme humain, mais ce dernier ne peut être pleinement compris qu'au terme d'une analyse qui tient compte des capacités qui nous sont propres. Cette analyse nous permettra de saisir pourquoi les êtes humains sont à la fois plus sociaux et plus opportunistes (la contradiction n'est qu'apparente) que les autres espèces animales. Malgré leurs différences, les versions biologique et comportementale de l'altruisme sont très proches au sens où elles traitent des conséquences de comportements. Ces notions ne reflètent qu'imparfaitement la conception ordinaire que nous nous faisons de l'altruisme. L'altruisme tel qu'il est utilisé dans le langage courant correspond davantage à l'image que s'en font les philosophes et les psychologues. Pour déceler les actions altruistes, ces derniers se demandent généralement si elles ont été causées par un motif dirigé vers le bien d'autrui. En ce sens, on parle d'altruisme psychologique qui réfère aux causes plutôt qu'aux effets des actions d'aide. Le troisième chapitre est consacré aux débats qui font rage autour de la question de savoir si les êtres humains sont capables d'agir de manière altruiste psychologique, c'est-à-dire en fonction de motifs exclusivement dirigés vers le bien-être d'autrui. Nous verrons à quel point cette tâche est ardue à moins d'accepter de reformuler la question en termes de motivation primaire à l'action. Au terme de l'analyse, il apparaitra que les trois notions d'altruisme se croisent sans se recouper dans un enchevêtrement de liens plus ou moins complexes. Nous verrons par exemple que l'altruisme biologique (voire comportemental) pourrait bien être une condition nécessaire à l'évolution de l'altruisme psychologique ; des liens tangibles peut ainsi être tissés entre ces différentes notions. Les diverses approches du phénomène de l'altruisme retracées dans cet ouvrage fournissent également des clefs de compréhension des méandres du comportement social animal et plus particulièrement humain. De manière générale, sans apporter de solutions toutes faites, cet écrit peut servir de guide sémantique et initie le lecteur à une littérature interdisciplinaire émergeante, foisonnante, passionnante quoique encore souvent parsemée de confusions et de contradictions.

Genetic and environmental effects on early life-history traits in salmonids

Les changements environnementaux, tels la température ou les maladies infectieuses, peuvent influencer l'évolution en induisant de la sélection, mais ceci à la seule condition qu'il y ait assez de diversité génétique pour les traits en question ou pour l'expression plastique de ces traits. Au cours cette thèse, nous avons étudié l'effet de potentielles pressions environnementales sur différents phénotypes de trois représentants des sous familles des salmonidés: l'ombre commun (Thymallus thymallus; Thymallinae), la truite de rivière {Salmo trutta; Salmoninae) et le corégone Coregonus palaea (Coregoninae). Les salmonidés se prêtent particulièrement bien à ce type d'expériences car étant hautement sensibles aux conditions environnementales, ils montrent une large variabilité dans leurs traits morphologiques, comportementaux ainsi que d'histoire de vie, tout en bénéficiant d'un large intérêt général. Nous avons testé si le sexe de l'ombre commun pouvait être modifié par la température, ce qui pourrait ainsi expliquer un changement abrupte de sex ratio observé dans l'une des plus grandes populations de Suisse. Nous n'avons trouvé aucun indice permettant de conclure que la température puisse induire ce changement chez l'ombre commun ou chez la truite de rivière. De plus nous avons étudié la plasticité de développement ainsi que d'éclosion, et avons observé des différences entre familles ainsi qu'entre populations. Alors que ces différences comportementales entre populations suggéraient une adaptation aux conditions environnementales locales, cette prédiction n'a pas été confirmée par une expérience de transplantation réciproque d'embryons entre cinq rivières de la même région. Cette étude a montré que les embryons ne survivaient pas mieux dans leur rivière d'origine, indiquant donc une absence d'adaptation locale. Nous avons aussi montré que la mortalité embryonnaire était influencée autant par des "bons gènes" que par des "gènes compatibles", que la qualité des mâles pouvait être signalée par leur coloration, et que le fait d'élever des poissons dans une pisciculture pouvait aboutir a des relations contre-intuitives entre la coloration des mâles et la qualité de leur jeunes. Nos résultats contribuent ainsi à une meilleure compréhension de l'effet de diverses pressions environnementales sur la morphologie, le comportement ou les traits d'histoire de vie chez les salmonidés. - Environmental changes, such as changes in temperatures or infection levels, can induce selection and drive evolution if there is sufficient genetic variation for the traits or the plasticity in trait expression. In this thesis, we investigated the influence of potential environmental stressors on various phenotypes in representatives of the three salmonid subfamilies: the European grayling (Thymallus thymallus; Thymallinae), the brown trout (,Salmo trutta; Salmoninae), and the whitefish Coregonus palaea (Coregoninae). Salmonids are ideal study species, as they seem sensitive to changing environmental conditions, show considerable variability in morphological, behavioral, and life history traits, and are of broad public interest. We investigated whether temperature-induced sex reversal could explain the sex-ratio distortion found in one of Switzerland's largest grayling populations. We found no evidence of temperature-induced sex reversal in either graylings or brown trout. We also examined plasticity in embryo development and the timing of hatching. We found variation at the level of family and population. Although behavioral differences between populations suggested adaptation to local environmental conditions, no indications of local adaptation could be found in reciprocal transplant experiments carried out over five rivers in the same region. We also demonstrate that embryo development and viability is influenced by 'good genes' and 'compatible genes', that the genetic quality of sires can be signaled by their grey coloration, and that raising larvae in a hatchery environment can produce counter-intuitive relationships between male phenotypes and offspring viability. Our results contribute to the understanding of how changing environmental conditions affect the phenotypes and the heritability of early life-history traits in salmonids.

Apport de la psychanalyse en oncogénétique prédictive

La médecine prédictive évalue la probabilité que des personnes portant des mutations génétiques constitutionnelles puissent développer une maladie donnée, comme par exemple une tumeur maligne (oncogénétique). Dans le cas des prédispositions génétiques au cancer, des mesures particulières de surveillance et de prévention sont discutées en fonction de l'évaluation des risques et des résultats de l'analyse génétique, y compris certains traitements préventifs allant, à l'extrême, jusqu'à l'intervention chirurgicale prophylactique (ex : mastectomie et/ou ovariectomie). Cette étude est basée sur une interprétation psychanalytique du récit de sujets ayant entrepris une démarche en oncogénétique et vise à analyser l'impact psychique : a) du résultat de l'analyse génétique et b) de la construction de l'arbre généalogique. Elle a été conduite dans l'Unité d'oncogénétique et de prévention des cancers (UOPC) du Service d'oncologie des Hôpitaux Universitaires de Genève (HUG). L'UOPC assure des consultations de conseil génétique spécialisé pour les personnes ayant des antécédents personnels et/ou familiaux de maladies tumorales suggestifs de l'existence de prédispositions génétiques au cancer. La population de cette étude comprend 125 sujets suivis lors des différentes étapes du dépistage, pour un total de 289 consultations et 50 entretiens individuels. Cette recherche montre que les sujets asymptomatiques réélaborent de façon personnelle, soit le résultat génétique (négatif ou positif), soit l'acte de prédiction. En revanche, ceux qui ont développé un cancer expriment des sentiments d'angoisse, comme s'ils subissaient les effets d'un destin inéluctable qui s'est effectivement réalisé. Par ailleurs, l'arbre généalogique est réinterprété de façon personnelle, laissant apparaître des aspects refoulés ou niés qui peuvent resurgir. Lorsque d'autres membres de la famille sont sollicités pour préciser les liens génétiques et/ou être soumis en première intention à l'analyse génétique, le sujet exprime sa difficulté de dépendre d'autres personnes pour connaître son propre statut biologique. D'une façon générale, on constate que là où la médecine prédictive réalise son acte de prévision, le sujet répond de façon imprévisible. Dans l'optique de la psychanalyse, cette imprévisibilité est liée aux aspects du « désir inconscient ». Cette étude montre aussi qu'on ne peut pas considérer le dépistage génétique comme étant la cause directe du traumatisme. L'effort doit porter sur le fait que le sujet puisse se réapproprier ce qui lui arrive, et exprimer progressivement sa souffrance spécifique en jeu dans le processus de prédiction pour créer un écart entre la vérité médicale et la sienne. L'espace de la parole devient ainsi le lieu d'un travail privilégié. La psychanalyse opère donc pour que le résultat génétique se détache de l'acte de prédiction, c'est-à-dire qu'il redevienne un moment de la vie du sujet qui puisse s'articuler comme sa propre histoire personnelle. The aim of predictive medicine is to assess the probability that individuals carrying germ-line mutations will develop certain diseases, for instance cancer (oncogenetics). In predictive oncology, particular surveillance and prevention measures are discussed with these patients in relation to risk assessment and results of genetic testing, including preventive care which can, in extremes cases, lead to prophylactic surgery (i.e. mastectomy and/or ovariectomy). This study is based on a psychoanalytic interpretation of subjects' narration of the oncogenetic process and aims at analyzing the psychological impact of a) genetic testing and b) the construction of the family tree. It was carried out at the Oncogenetics and cancer prevention unit (Unité d'oncogénétique et de prévention des cancers) from the Geneva University Hospitals (Hôpitaux Universitaires de Genève, HUG) which organizes genetic counselling for individuals having personal and/or family history suggestive of genetic predisposition to cancer. The study population comprises 125 patients followed during the successive steps of genetic counselling, for a total of 289 consultations and 50 personal interviews. This research shows that asymptomatic subjects re-elaborate in a personal way either the results of genetic testing (negative or positive) or the act of prediction. Conversely, those having developed cancer express feelings of anguish, as if they were undergoing the effects of a destiny which effectively happened. Its sight remains a difficult step of the oncogenetic process, as psychological aspects which were repressed or denied can re-appear. When some family members are solicited to help reconstructing the genetic relationships, sometimes being themselves submitted first to genetic testing, the study subject expresses the difficulty to depend on other persons to learn more about his own biological status. In this study, we observe that, in parallel to predictions delivered by the process of predictive medicine, the subject actually answers unpredictably. With a psychoanalytic perspective, this unpredictability is related to an "unconscious desire". We also find that we cannot consider that genetic screening is a direct cause of psychological trauma. Our efforts must rely on allowing the subject to re-appropriate himself what is happening, to let him progressively express his own suffering of the prediction in order to create a gap between the medical reality and his own. In this process, "speech" is needed to let this happening. Psychoanalysis works in such a way that the genetic testing's result becomes distinct from the act of prediction, a moment of the subject's life expressed as his own personal history.

Social Dynamics in Paper Wasps: The case of nest-drifting in Polistes canadensis

Le passage de la vie solitaire à la vie sociale représente une des principales transitions évolutives. La socialité a évolué au sein de plusieurs taxons du règne animal et notamment chez les insectes sociaux qui ont atteint son niveau le plus élevé : l'eusocialité. Les colonies d'insectes sociaux se composent d'une reine, qui monopolise la reproduction, et d'ouvrières, non-reproductrices ou parfois stériles, qui aident à élever la descendance de la reine. Selon la théorie de la sélection de parentèle, les ouvrières augmentent leur fitness (succès reproducteur) non pas à travers leur propre progéniture, mais en aidant des individus apparentés (leur reine) à produire davantage de descendants. Cette théorie prédit ainsi que les ouvrières ont un intérêt à rester fidèles à leur nid natal. Toutefois, chez la guêpe tropicale Polistes canadensis, de nombreuse ouvrières visitent d'autres nids que leur nid natal : un phénomène appelé « dérive des ouvrières ». Le but de ce doctorat est ainsi de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans ce comportement particulier des ouvrières ainsi que ces implications pour la théorie de la sélection de parentèle. Nous avons examiné le comportement de dérive des ouvrières à travers une étude des dynamiques sociales chez la guêpe tropicale P. canadensis. Mes résultats montrent que les populations de P. canadensis se composent en différentes agrégations de nids. Malgré de précédentes suggestions, on n'observe qu'une faible viscosité génétique au sein des populations de P. canadensis étudiées. On retrouve toutefois un degré d'apparentement entre nids d'une même agrégation. Ceci suggère que les ouvrières dériveuses sont susceptibles de bénéficier de fitness indirect en aidant les nids proches géographiquement. De plus, ces échanges d'ouvrières ne semblent pas accidentels puisque l'on constate des variations de taux de dérive et puisque les déplacements observés entre nids persistent sur plusieurs périodes de temps. La charge de travail, qui correspond aux différences d'effort de fourragement entre nid visités et natals, est décrite dans notre étude comme potentiel facteur expliquant le comportement de dérive des ouvrières chez P. canadensis. Nos expériences de retrait d'ouvrières et de couvain ont révélées que les dériveuses ne semblent pas répondre aux changements de besoins en aide des nids visités. Les ouvrières dériveuses biaisent leur effort en aidant leur propre nid, par lequel elles bénéficient le plus en termes de fitness indirect, avant de se consacrer à tout autre nid. Dans l'ensemble, ces résultats sur la dérive des ouvrières chez P. canadensis sont cohérents et suggèrent que ce comportement est une importante stratégie de reproduction alternative chez cette espèce qui contribue à la fitness indirecte de ces ouvrières non-reproductrices. De plus, ce doctorat apporte des informations sur la structure génétique des populations de guêpes Polistes et décrit le rôle des ouvrières inactives. Celles-ci semblent servir de réserve en ouvrières apportant du support à la colonie dans l'éventualité d'une perte d'individus. Plus généralement, ce travail met l'accent sur l'organisation complexe et l'adaptabilité des individus dans les sociétés d'insectes. - One major transition in evolution is the shift from solitary to social life. Sociality has evolved in a few taxa of the animal kingdom, most notably in the social insects which have achieved the highest level of sociality: eusociality. Colonies of social insects are formed by a reproductive queen, and many non-reproductive or sterile workers who help raise their mother queen's offspring. Kin selection theory explains worker behaviour in terms of the indirect fitness they gain from raising non-offspring kin. It therefore predicts that workers should stay faithful to their natal nests, to which they are the more related. However, in the tropical paper wasps Polistes canadensis, high levels of nest-drifting, whereby workers spend time on other neighbouring nests, has been reported. This PhD aimed at understanding the mechanisms involved in this peculiar behaviour as well as its implications for kin selection theory. I examined nest-drifting through the study of the social dynamics of the tropical paper wasp P. canadensis. My results showed that populations of this species of paper wasps are composed of different aggregations of nests. The studied populations showed little limited dispersal (viscosity), despite previous suggestion, but nests within these aggregations were more related to each other than nests outside of aggregations. This suggested that drifters may benefit from indirect fitness when helping on neighbouring nests. Drifting was unlikely to be accidental since we found drifting patterns at various rates and consistently over several time periods during monitoring. Workload (differences in colony-level foraging effort) was also a potential factor explaining nest-drifting in P. canadensis. Worker and brood removal experiments revealed that drifters do not respond to any changes in the need for help in the non-natal nests they visit. Drifters thus bias their help in their natal nests, from which they may benefit the most in terms of indirect fitness, before investing in others. Altogether, these results on nest-drifting in P. canadensis are consistent and suggest that nest-drifting is an important alternative reproductive strategy, contributing to the indirect fitness benefits gained by non-reproductive wasps. Additionally, this PhD provides information on the genetic structure of paper wasps' populations and demonstrates the role of inactive or lazy wasps as a "reserve worker force", which provides resilience to the colony in the event of worker mortality. More generally, this work further highlights the complex organization and adaptability of individuals in insect societies.

Species distributions and interactions in a changing world : from understanding to forecasting

Les écosystèmes fournissent de nombreuses ressources et services écologiques qui sont utiles à la population humaine. La biodiversité est une composante essentielle des écosystèmes et maintient de nombreux services. Afin d'assurer la permanence des services écosystémiques, des mesures doivent être prises pour conserver la biodiversité. Dans ce but, l'acquisition d'informations détaillées sur la distribution de la biodiversité dans l'espace est essentielle. Les modèles de distribution d'espèces (SDMs) sont des modèles empiriques qui mettent en lien des observations de terrain (présences ou absences d'une espèce) avec des descripteurs de l'environnement, selon des courbes de réponses statistiques qui décrive la niche réalisée des espèces. Ces modèles fournissent des projections spatiales indiquant les lieux les plus favorables pour les espèces considérées. Le principal objectif de cette thèse est de fournir des projections plus réalistes de la distribution des espèces et des communautés en montagne pour le climat présent et futur en considérant non-seulement des variables abiotiques mais aussi biotiques. Les régions de montagne et l'écosystème alpin sont très sensibles aux changements globaux et en même temps assurent de nombreux services écosystémiques. Cette thèse est séparée en trois parties : (i) fournir une meilleure compréhension du rôle des interactions biotiques dans la distribution des espèces et l'assemblage des communautés en montagne (ouest des Alpes Suisses), (ii) permettre le développement d'une nouvelle approche pour modéliser la distribution spatiale de la biodiversité, (iii) fournir des projections plus réalistes de la distribution future des espèces ainsi que de la composition des communautés. En me focalisant sur les papillons, bourdons et plantes vasculaires, j'ai détecté des interactions biotiques importantes qui lient les espèces entre elles. J'ai également identifié la signature du filtre de l'environnement sur les communautés en haute altitude confirmant l'utilité des SDMs pour reproduire ce type de processus. A partir de ces études, j'ai contribué à l'amélioration méthodologique des SDMs dans le but de prédire les communautés en incluant les interactions biotiques et également les processus non-déterministes par une approche probabiliste. Cette approche permet de prédire non-seulement la distribution d'espèces individuelles, mais également celle de communautés dans leur entier en empilant les projections (S-SDMs). Finalement, j'ai utilisé cet outil pour prédire la distribution d'espèces et de communautés dans le passé et le futur. En particulier, j'ai modélisé la migration post-glaciaire de Trollius europaeus qui est à l'origine de la structure génétique intra-spécifique chez cette espèce et évalué les risques de perte face au changement climatique. Finalement, j'ai simulé la distribution des communautés de bourdons pour le 21e siècle afin d'évaluer les changements probables dans ce groupe important de pollinisateurs. La diversité fonctionnelle des bourdons va être altérée par la perte d'espèces spécialistes de haute altitude et ceci va influencer la pollinisation des plantes en haute altitude. - Ecosystems provide a multitude of resources and ecological services, which are useful to human. Biodiversity is an essential component of those ecosystems and guarantee many services. To assure the permanence of ecosystem services for future generation, measure should be applied to conserve biodiversity. For this purpose, the acquisition of detailed information on how biodiversity implicated in ecosystem function is distributed in space is essential. Species distribution models (SDMs) are empirical models relating field observations to environmental predictors based on statistically-derived response surfaces that fit the realized niche. These models result in spatial predictions indicating locations of the most suitable environment for the species and may potentially be applied to predict composition of communities and their functional properties. The main objective of this thesis was to provide more accurate projections of species and communities distribution under current and future climate in mountains by considering not solely abiotic but also biotic drivers of species distribution. Mountain areas and alpine ecosystems are considered as particularly sensitive to global changes and are also sources of essential ecosystem services. This thesis had three main goals: (i) a better ecological understanding of biotic interactions and how they shape the distribution of species and communities, (ii) the development of a novel approach to the spatial modeling of biodiversity, that can account for biotic interactions, and (iii) ecologically more realistic projections of future species distributions, of future composition and structure of communities. Focusing on butterfly and bumblebees in interaction with the vegetation, I detected important biotic interactions for species distribution and community composition of both plant and insects along environmental gradients. I identified the signature of environmental filtering processes at high elevation confirming the suitability of SDMs for reproducing patterns of filtering. Using those case-studies, I improved SDMs by incorporating biotic interaction and accounting for non-deterministic processes and uncertainty using a probabilistic based approach. I used improved modeling to forecast the distribution of species through the past and future climate changes. SDMs hindcasting allowed a better understanding of the spatial range dynamic of Trollius europaeus in Europe at the origin of the species intra-specific genetic diversity and identified the risk of loss of this genetic diversity caused by climate change. By simulating the future distribution of all bumblebee species in the western Swiss Alps under nine climate change scenarios for the 21st century, I found that the functional diversity of this pollinator guild will be largely affected by climate change through the loss of high elevation specialists. In turn, this will have important consequences on alpine plant pollination.