Activity of polymethylmethacrylate (PMMA) bone cement loaded with daptomycin, vancomycin and gentamicin against Staphylococcus epidermidis biofilms

Background: Local antibiotics may significantly improve the treatmentoutcome in bone infection without systemic toxicity. For impregnationof polymethylmethacrylate (PMMA), gentamicin, vancomycin and/orclindamycin are currently used. A new lipopeptid antibiotic,daptomycin, is a promising candidate for local treatment due to itsspectrum against staphylococci and enterococci (including multiresistantstrains), and concentration-dependent rapid bactericidalactivity. We investigated activity of antibiotic-loaded PMMA againstStaphylococcus epidermidis biofilms using an ultra-sensitive bacterialheat detection method (microcalorimetry).Methods: Staphylococcus epidermidis (strain RP62A, susceptibleto daptomycin, vancomycin and gentamicin) at concentration 106bacteria/ml was incubated with 2 g-PMMA block (Palacos, HeraeusMedical, Hanau, Germany) in 25 ml tryptic soy broth (TSB)supplemented with calcium. PMMA blocks were preloaded withdaptomycin, vancomycin and gentamicin each at 2 g/40 mg (= 100 mg/block) PMMA. After 72 h-incubation at 35 °C under static conditions,PMMA blocks were rinsed in phosphate-buffered solution (PBS) 5times and transferred in 4 ml-microcalorimetry ampoule filled with 1 mlTSB. Bacterial heat production, which is proportional to the quantityof biofilm on PMMA surface, was measured by isothermalmicrocalorimetry. The detection time was calculated as the time untilthe heat flow reached 20 microwatt.Results: Biomechanical properties did not differ between antibioticloadedand non-loaded PMMA blocks. The mean detection time (±standard deviation) of bacterial heat was 6.5 ± 0.4 h for PMMA withoutantibiotics (negative control), 13.5 ± 4.6 h for PMMA with daptomycin,14.0 ± 4.1 h for PMMA with vancomycin and 5.0 ± 0.4 h for PMMAwith gentamicin.Conclusion: Our data indicates that antibiotics at 2 g/40 mg PMMAdid not change the biomechanical properties of bone cement. Daptomycinand vancomycin were more active than gentamicin against S.epidermidis biofilms when all tested at 2 g/40 mg PMMA. In the nextstep, higher concentrations of daptomycin and their elution kineticneeds to be determined to optimize its antibiofilm activity before usingin the clinical setting.

Numerous potentially functional but non-genic conserved sequences on human chromosome 21.

The use of comparative genomics to infer genome function relies on the understanding of how different components of the genome change over evolutionary time. The aim of such comparative analysis is to identify conserved, functionally transcribed sequences such as protein-coding genes and non-coding RNA genes, and other functional sequences such as regulatory regions, as well as other genomic features. Here, we have compared the entire human chromosome 21 with syntenic regions of the mouse genome, and have identified a large number of conserved blocks of unknown function. Although previous studies have made similar observations, it is unknown whether these conserved sequences are genes or not. Here we present an extensive experimental and computational analysis of human chromosome 21 in an effort to assign function to sequences conserved between human chromosome 21 (ref. 8) and the syntenic mouse regions. Our data support the presence of a large number of potentially functional non-genic sequences, probably regulatory and structural. The integration of the properties of the conserved components of human chromosome 21 to the rapidly accumulating functional data for this chromosome will improve considerably our understanding of the role of sequence conservation in mammalian genomes.

Population genetics of Capercaillie (Tetrao urogallus) in the Jura and the Pyrenees: a non-invasive approach to avian conservation genetics

RÉSUMÉ Le Grand tétras est un galliforme de montagne apparenté au faisan et au tétras lyre. Il est distribué de manière continue à travers la toundra et les montagnes de moyenne altitude en Europe de l'ouest. Toutefois, les populations d'Europe de l'ouest ont subi un déclin constant au cours des derniers siècles. Les causes de ce déclin sont probablement liées à l'activité humaine, telle .que l'élevage ou le tourisme, qui ont engendré une modification et une fragmentation de l'habitat de l'espèce. Malheureusement, les populations soumises à de forts déclins démographiques peuvent subir des effets génétiques (augmentation de la consanguinité et perte de diversité génétique) pouvant diminuer leur potentiel de reproduction et conduire irrémédiablement à l'extinction. Cette thèse présente les analyses conduites dans le but d'estimer l'impact du déclin démographique des populations de Grand tétras sur l'étendue et la distribution de leur variabilité génétique dans le Jura et dans les Pyrénées. Du fait de la législation locale protégeant les tétraonidés en général, mais également en raison de la biologie très cryptique du Grand tétras, l'ensemble des analyses de cette étude a été réalisé à partir de matériel génétique extrait des fientes (ou échantillonnage génétique non invasif). Dans la première partie de l'étude, je détaille les protocoles d'extraction. d'ADN et d'amplification par PCR modifiés à partir des protocoles classiques utilisant des échantillons conventionnels, riches en ADN. L'utilisation d'ADN fécal impose des contraintes dues à la mauvaise qualité et à la faible quantité du matériel génétique à disposition dans les fientes. Ces contraintes ont pu être partiellement contournées en réalisant des répétitions multiples du génotypage afin d'obtenir un degré de fiabilité suffisante. J'ai également analysé les causes de la dégradation de l'ADN dans les excréments. Parmi les causes les plus communes, telles que l'activité bactérienne, l'hydrolyse spontanée et la dégradation enzymatique par les DNases libres, c'est ce dernier facteur qui apparaît comme étant la cause majeure et la plus rapide responsable de la dégradation de la qualité des échantillons. La rapidité de l'action enzymatique suggère que les plans d'échantillonnages de excréments sur le terrain pourraient être optimisés en les réalisant dans des conditions climatiques froides et sèches, favorisant ainsi l'inhibition des DNases. La seconde partie de la thèse est une étude par simulation visant à déterminer la capacité du logiciel Structure à identifier les structures génétiques complexes et hiérarchiques fréquemment rencontrées dans les populations naturelles, et ce en utilisant différents types de marqueurs génétiques. Les troisième et quatrième parties de cette thèse décrivent le statut génétique des populations résiduelles du Jura et des Pyrénées à partir de l'analyse de 11 loci microsatellites. Nous n'avons pas pu mettre en évidence dans les deux populations des effets liés à la consanguinité ou à la réduction de la diversité génétique. De plus, la différenciation génétique entre les patches d'habitats favorables reste modérée et corrélée à la distance géographique, ce qui suggère que la dispersion d'individus entre les patches a été importante au moins pendant ces dernières générations. La comparaison des paramètres de la diversité génétique avec ceux d'autres populations de Grand tétras, ou d'autres espèces proches, indique que la population du Jura a retenu une proportion importante de sa diversité originelle. Ces résultats suggèrent que le déclin récent des populations a jusqu'ici eu un impact modéré sur les facteurs génétiques et que ces populations semblent avoir conservé le potentiel génétique nécessaire à leur survie à long terme. Finalement, en cinquième partie, l'analyse de l'apparentement entre les mâles qui participent à la parade sur les places de chant (leks) indique que ces derniers sont distribués en agrégats de manière non aléatoire, préférentiellement entre individus apparentés. De plus, la corrélation entre les distances génétique et géographique entre les leks est en accord avec les motifs d'isolement par la distance mis en évidence à d'autres niveaux hiérarchiques (entre patches d'habitat et populations), ainsi qu'avec les études menées sur d'autres espèces ayant choisi ce même système de reproduction. En conclusion, cette première étude basée uniquement sur de l'ADN nucléaire aviaire extrait à partir de fèces a fourni des informations nouvelles qui n'auraient pas pu être obtenues par une méthode d'observation sur le terrain ou d'échantillonnage génétique classique. Aucun oiseau n'a été dérangé ou capturé, et les résultats sont comparables à d'autres études concernant des espèces proches. Néanmoins, la taille de ces populations approche des niveaux au-dessous desquels la survie à long terme est fortement incertaine. La persistance de la diversité génétique pour les prochaines générations reste en conséquence liée à la survie des adultes et à une reprise du succès de la reproduction. ABSTRACT Capercaillie (Tetrao urogallus) is a large grouse that is continuously distributed across the tundra and the mid-high mountains of Western Europe. However, the populations in Western Europe have been showing a constant decline during the last decades. The causes for this decline are possibly related to human activities, such as cattle breeding and tourism that have both led to habitat modification and fragmentation. Unfortunately, populations that have undergone drastic demographic bottlenecks often go through genetic processes of inbreeding and loss of diversity that decrease their fitness and eventually lead to extinction. This thesis presents the investigations conducted to estimate the impact of the demographic decline of capercaillie populations on the extent and distribution of their genetic variability in the Jura and in the Pyrenees mountains. Because grouse are protected by wildlife legislation, and also because of the cryptic behaviour of capercaillie, all DNA material used in this study was extracted from faeces (non-invasive genetic sampling). In the first part of my thesis, I detail the protocols of DNA extraction and PCR amplification adapted from classical methods using conventional DNA-rich samples. The use of faecal DNA imposes specific constraints due to the low quantity and the highly degraded genetic material available. These constraints are partially overcome by performing multiple genotyping repetitions to obtain sufficient reliability. I also investigate the causes of DNA degradation in faeces. Among the main degraders, namely bacterial activity, spontaneous hydrolysis, and free-¬DNase activities, the latter was pointed out as the most important according to our experiments. These enzymes degrade DNA very rapidly, and, as a consequence, faeces sampling schemes must be planned preferably in cold and dry weather conditions, allowing for enzyme activity inhibition. The second part of the thesis is a simulation study aiming to assess the capacity of the software Structure to detect population structure in hierarchical models relevant to situations encountered in wild populations, using several genetic markers. The methods implemented in Structure appear efficient in detecting the highest hierarchical structure. The third and fourth parts of the thesis describe the population genetics status of the remaining Jura and Pyrenees populations using 11 microsatellite loci. In either of these populations, no inbreeding nor reduced genetic diversity was detected. Furthermore, the genetic differentiation between patches defined by habitat suitability remains moderate and correlated with geographical distance, suggesting that significant dispersion between patches was at work at least until the last generations. The comparison of diversity indicators with other species or other populations of capercaillie indicate that population in the Jura has retained a large part of its original genetic diversity. These results suggest that the recent decline has had so forth a moderate impact on• genetic factors and that these populations might have retained the potential for long term survival, if the decline is stopped. Finally, in the fifth part, the analysis of relatedness between males participating in the reproduction parade, or lek, indicate that capercaillie males, like has been shown for some other grouse species, gather on leks• among individuals that are more related than the average of the population. This pattern appears to be due to both population structure and kin-association. As a conclusion, this first study relying exclusively on nuclear DNA extracted from faeces has provided novel information that was not available through field observation or classical genetic sampling. No bird has been captured or disturbed, and the results are consistent with other studies of closely related species. However, the size of these populations is approaching thresholds below which long-term survival is unlikely. The persistence of genetic diversity for the forthcoming generations remains therefore bond to adult survival and to the increase of reproduction success.

DNA degradation in avian faecal samples and feasibility of non-invasive genetic studies applied to threatened capercaillie populations

We evaluated the feasibility of using faeces as a non-invasively collected DNA source for the genetic study of an endangered bird population (capercaillie; Tetrao urogallus). We used a multitube approach, and for our panel of 11 microsatellites genotyping reliability was estimated at 98% with five repetitions. Experiments showed that free DNases in faecal material were the major cause of DNA degradation. Our results demonstrate that using avian faeces as a source of DNA, reliable microsatellite genotyping can be obtained with a reasonable number of PCR replicates.

SwissSidechain: a molecular and structural database of non-natural sidechains.

Amino acids form the building blocks of all proteins. Naturally occurring amino acids are restricted to a few tens of sidechains, even when considering post-translational modifications and rare amino acids such as selenocysteine and pyrrolysine. However, the potential chemical diversity of amino acid sidechains is nearly infinite. Exploiting this diversity by using non-natural sidechains to expand the building blocks of proteins and peptides has recently found widespread applications in biochemistry, protein engineering and drug design. Despite these applications, there is currently no unified online bioinformatics resource for non-natural sidechains. With the SwissSidechain database (http://www.swisssidechain.ch), we offer a central and curated platform about non-natural sidechains for researchers in biochemistry, medicinal chemistry, protein engineering and molecular modeling. SwissSidechain provides biophysical, structural and molecular data for hundreds of commercially available non-natural amino acid sidechains, both in l- and d-configurations. The database can be easily browsed by sidechain names, families or physico-chemical properties. We also provide plugins to seamlessly insert non-natural sidechains into peptides and proteins using molecular visualization software, as well as topologies and parameters compatible with molecular mechanics software.

Identifying genetic signatures of selection in a non-model species, alpine gentian (Gentiana nivalis L.), using a landscape genetic approach

It is generally accepted that most plant populations are locally adapted. Yet, understanding how environmental forces give rise to adaptive genetic variation is a challenge in conservation genetics and crucial to the preservation of species under rapidly changing climatic conditions. Environmental variation, phylogeographic history, and population demographic processes all contribute to spatially structured genetic variation, however few current models attempt to separate these confounding effects. To illustrate the benefits of using a spatially-explicit model for identifying potentially adaptive loci, we compared outlier locus detection methods with a recently-developed landscape genetic approach. We analyzed 157 loci from samples of the alpine herb Gentiana nivalis collected across the European Alps. Principle coordinates of neighbor matrices (PCNM), eigenvectors that quantify multi-scale spatial variation present in a data set, were incorporated into a landscape genetic approach relating AFLP frequencies with 23 environmental variables. Four major findings emerged. 1) Fifteen loci were significantly correlated with at least one predictor variable (R (adj) (2) > 0.5). 2) Models including PCNM variables identified eight more potentially adaptive loci than models run without spatial variables. 3) When compared to outlier detection methods, the landscape genetic approach detected four of the same loci plus 11 additional loci. 4) Temperature, precipitation, and solar radiation were the three major environmental factors driving potentially adaptive genetic variation in G. nivalis. Techniques presented in this paper offer an efficient method for identifying potentially adaptive genetic variation and associated environmental forces of selection, providing an important step forward for the conservation of non-model species under global change.

Vertebrate conserved non coding DNA regions have a high persistence length and a short persistence time.

BACKGROUND: The comparison of complete genomes has revealed surprisingly large numbers of conserved non-protein-coding (CNC) DNA regions. However, the biological function of CNC remains elusive. CNC differ in two aspects from conserved protein-coding regions. They are not conserved across phylum boundaries, and they do not contain readily detectable sub-domains. Here we characterize the persistence length and time of CNC and conserved protein-coding regions in the vertebrate and insect lineages. RESULTS: The persistence length is the length of a genome region over which a certain level of sequence identity is consistently maintained. The persistence time is the evolutionary period during which a conserved region evolves under the same selective constraints.Our main findings are: (i) Insect genomes contain 1.60 times less conserved information than vertebrates; (ii) Vertebrate CNC have a higher persistence length than conserved coding regions or insect CNC; (iii) CNC have shorter persistence times as compared to conserved coding regions in both lineages. CONCLUSION: Higher persistence length of vertebrate CNC indicates that the conserved information in vertebrates and insects is organized in functional elements of different lengths. These findings might be related to the higher morphological complexity of vertebrates and give clues about the structure of active CNC elements.Shorter persistence time might explain the previously puzzling observations of highly conserved CNC within each phylum, and of a lack of conservation between phyla. It suggests that CNC divergence might be a key factor in vertebrate evolution. Further evolutionary studies will help to relate individual CNC to specific developmental processes.

Conserved non-genic sequences - an unexpected feature of mammalian genomes.

Mammalian genomes contain highly conserved sequences that are not functionally transcribed. These sequences are single copy and comprise approximately 1-2% of the human genome. Evolutionary analysis strongly supports their functional conservation, although their potentially diverse, functional attributes remain unknown. It is likely that genomic variation in conserved non-genic sequences is associated with phenotypic variability and human disorders. So how might their function and contribution to human disorders be examined?

Early Carboniferous age of the Versoyen ophiolites and consequences: non-existence of a "Valais ocean'' (Lower Penninic, western Alps)

Ophiolites occur at several places in the Lower Penninic of the W and Central Alps. They are generally ascribed to oceanic crust of a so-called ``Valais ocean'' of Cretaceous age which plays a fundamental role in many models of Alpine paleogeography and geodynamics. The type locality and only observational base for the definition of a ``Valais ocean'' in the W Alps is the Versoyen ophiolitic complex, on the French-Italian boundary W of the Petit St-Bernard col. The idea of a "Valais ocean'' is based on two propositions that are since 40 years the basis for most reconstructions of the Lower Penninic: (1) The Versoyen forms the (overturned) stratigraphic base of the Cretaceous-Tertiary Valais-Tarentaise series; and (2) it has a Cretaceous age. We present new field and isotopic data that severely challenge both propositions. (1) The base of the Versoyen ophiolite is a thrust. It overlies a wildflysch with blocks of Versoyen rocks, named the Mechandeur Formation. This ``supra-Tarentaise'' wildflysch has been confused with an (overturned) stratigraphic transition from the Versoyen to the Valais-Tarentaise series. Thus the contact Versoyen/Tarentaise is not stratigraphic but tectonic, and the Versoyen ophiolite has no link with the Valais basin. This thrust corresponds to an inverse metamorphic discontinuity and to an abrupt change in tectonic style. (2) The contact of the Versoyen complex with the overlying Triassic-Jurassic Petit St-Bernard (PSB) series is stratigraphic (and not tectonic as admitted by all authors since 50 years). Several types of sedimentary structures polarize it and show that the PSB series is younger than the Versoyen. Consequently the Versoyen ophiolitic complex is Paleozoic and forms the basement of the PSB Mesozoic sediments. They both belong to a single tectonic unit, named the Versoyen-Petit St-Bernard nappe. (3) Ion microprobe U-Pb isotopic data on zircons from the main gabbroic intrusion in the Versoyen complex give a crystallization age of 337.0 +/- 4.1 Ma (Visean, Early Carboniferous). These zircons show typical oscillatory zoning and no overgrowth or corrosion. and are interpreted to date the Versoyen magmatism. These U-Pb data are in excellent agreement with our field observations and confirm the Paleozoic age of the Versoyen ophiolite. The existence of a ``Valais ocean'' of Cretaceous age in the W Alps becomes very improbable. The eclogite facies metamorphism of the Versoyen-Petit St-Bernard nappe results from an Alpine intra-continental subduction, guided by a Paleozoic oceanic suture. This is an example of the lone term influence of inherited deep-seated structures on a Much younger orogeny. This might well be a major cause of of the inherent complexity of the Alps.

A novel bioinformatics pipeline to discover genes related to arbuscular mycorrhizal symbiosis based on their evolutionary conservation pattern among higher plants.

BACKGROUND: Genes involved in arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis have been identified primarily by mutant screens, followed by identification of the mutated genes (forward genetics). In addition, a number of AM-related genes has been identified by their AM-related expression patterns, and their function has subsequently been elucidated by knock-down or knock-out approaches (reverse genetics). However, genes that are members of functionally redundant gene families, or genes that have a vital function and therefore result in lethal mutant phenotypes, are difficult to identify. If such genes are constitutively expressed and therefore escape differential expression analyses, they remain elusive. The goal of this study was to systematically search for AM-related genes with a bioinformatics strategy that is insensitive to these problems. The central element of our approach is based on the fact that many AM-related genes are conserved only among AM-competent species. RESULTS: Our approach involves genome-wide comparisons at the proteome level of AM-competent host species with non-mycorrhizal species. Using a clustering method we first established orthologous/paralogous relationships and subsequently identified protein clusters that contain members only of the AM-competent species. Proteins of these clusters were then analyzed in an extended set of 16 plant species and ranked based on their relatedness among AM-competent monocot and dicot species, relative to non-mycorrhizal species. In addition, we combined the information on the protein-coding sequence with gene expression data and with promoter analysis. As a result we present a list of yet uncharacterized proteins that show a strongly AM-related pattern of sequence conservation, indicating that the respective genes may have been under selection for a function in AM. Among the top candidates are three genes that encode a small family of similar receptor-like kinases that are related to the S-locus receptor kinases involved in sporophytic self-incompatibility. CONCLUSIONS: We present a new systematic strategy of gene discovery based on conservation of the protein-coding sequence that complements classical forward and reverse genetics. This strategy can be applied to diverse other biological phenomena if species with established genome sequences fall into distinguished groups that differ in a defined functional trait of interest.

State power and protected areas: Dynamics and contradictions of forest conservation in Madhya Pradesh, India

The traditionally coercive and state-controlled governance of protected areas for nature conservation in developing countries has in many cases undergone change in the context of widespread decentralization and liberalization. This article examines an emerging "mixed" (coercive, community- and market-oriented) conservation approach in managed-resource protected areas and its effects on state power through a case study on forest protection in the central Indian state of Madhya Pradesh. The findings suggest that imperfect decentralization and partial liberalization resulted in changed forms, rather than uniform loss, of state power. A forest co-management program paradoxically strengthened local capacity and influence of the Forest Department, which generally maintained its territorial and knowledge-based control over forests and timber management. Furthermore, deregulation and reregulation enabled the state to withdraw from uneconomic activities but also implied reduced place-based control of non-timber forest products. Generally, the new policies and programs contributed to the separation of livelihoods and forests in Madhya Pradesh. The article concludes that regulatory, community- and market-based initiatives would need to be better coordinated to lead to more effective nature conservation and positive livelihood outcomes.

CHARACTERIZATION OF NrsZ, A NOVEL SMALL REGULATORY NON-CODING RNA INVOLVED IN THE ADAPTATION OF PSEUDOMONAS AERUGINOSA PAO1

The opportunistic ubiquitous pathogen Pseudomonas aeruginosa strain PAOl is a versatile Gram-negative bacterium that has the extraordinary capacity to colonize a wide diversity of ecological niches and to cause severe and persistent infections in humans. To ensure an optimal coordination of the genes involved in nutrient utilization, this bacterium uses the NtrB/C and/or the CbrA/B two-component systems, to sense nutrients availability and to regulate in consequence the expression of genes involved in their uptake and catabolism. NtrB/C is specialized in nitrogen utilization, while the CbrA/B system is involved in both carbon and nitrogen utilization and both systems activate their target genes expression in concert with the alternative sigma factor RpoN. Moreover, the NtrB/C and CbrA/B two- component systems regulate the secondary metabolism of the bacterium, such as the production of virulence factors. In addition to the fine-tuning transcriptional regulation, P. aeruginosa can rapidly modulate its metabolism using small non-coding regulatory RNAs (sRNAs), which regulate gene expression at the post-transcriptional level by diverse and sophisticated mechanisms and contribute to the fast physiological adaptability of this bacterium. In our search for novel RpoN-dependent sRNAs modulating the nutritional adaptation of P. aeruginosa PAOl, we discovered NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), a novel RpoN-dependent sRNA that is induced under nitrogen starvation by the NtrB/C two-component system. NrsZ has a unique architecture, formed of three similar stem-loop structures (SL I, II and II) separated by variant spacer sequences. Moreover, this sRNA is processed in short individual stem-loop molecules, by internal cleavage involving the endoribonuclease RNAse E. Concerning NrsZ functions in P. aeruginosa PAOl, this sRNA was shown to trigger the swarming motility and the rhamnolipid biosurfactants production. This regulation is due to the NrsZ-mediated activation of rhlA expression, a gene encoding for an enzyme essential for swarming motility and rhamnolipids production. Interestingly, the SL I structure of NrsZ ensures its regulatory function on rhlA expression, suggesting that the similar SLs are the functional units of this modular sRNA. However, the regulatory mechanism of action of NrsZ on rhlA expression activation remains unclear and is currently being investigated. Additionally, the NrsZ regulatory network was investigated by a transcriptome analysis, suggesting that numerous genes involved in both primary and secondary metabolism are regulated by this sRNA. To emphasize the importance of NrsZ, we investigated its conservation in other Pseudomonas species and demonstrated that NrsZ is conserved and expressed under nitrogen limitation in Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48 and Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, strains having different ecological features, suggesting an important role of NrsZ in the adaptation of Pseudomonads to nitrogen starvation. Interestingly the architecture of the different NrsZ homologs is similarly composed by SL structures and variant spacer sequences. However, the number of SL repetitions is not identical, and one to six SLs were predicted on the different NrsZ homologs. Moreover, NrsZ is processed in short molecules in all the strains, similarly to what was previously observed in P. aeruginosa PAOl, and the heterologous expression of the NrsZ homologs restored rhlA expression, swarming motility and rhamnolipids production in the P. aeruginosa NrsZ mutant. In many aspects, NrsZ is an atypical sRNA in the bacterial panorama. To our knowledge, NrsZ is the first described sRNA induced by the NtrB/C. Moreover, its unique modular architecture and its processing in similar short SL molecules suggest that NrsZ belongs to a novel family of bacterial sRNAs. -- L'agent pathogène opportuniste et ubiquitaire Pseudomonas aeruginosa souche PAOl est une bactérie Gram négative versatile ayant l'extraordinaire capacité de coloniser différentes niches écologiques et de causer des infections sévères et persistantes chez l'être humain. Afin d'assurer une coordination optimale des gènes impliqués dans l'utilisation de différents nutriments, cette bactérie se sert de systèmes à deux composants tel que NtrB/C et CbrA/B afin de détecter la disponibilité des ressources nutritives, puis de réguler en conséquence l'expression des gènes impliqués dans leur importation et leur catabolisme. Le système NtrB/C régule l'utilisation des sources d'azote alors que le système CbrA/B est impliqué à la fois dans l'utilisation des sources de carbone et d'azote. Ces deux systèmes activent l'expression de leurs gènes-cibles de concert avec le facteur sigma alternatif RpoN. En outre, NtrB/C et CbrA/B régulent aussi le métabolisme secondaire, contrôlant notamment la production d'importants facteurs de virulence. En plus de toutes ces régulations génétiques fines ayant lieu au niveau transcriptionnel, P. aeruginosa est aussi capable de moduler son métabolisme en se servant de petits ARNs régulateurs non-codants (ARNncs), qui régulent l'expression génétique à un niveau post- transcriptionnel par divers mécanismes sophistiqués et contribuent à rendre particulièrement rapide l'adaptation physiologique de cette bactérie. Au cours de nos recherches sur de nouveaux ARNncs dépendant du facteur sigma RpoN et impliqués dans l'adaptation nutritionnelle de P. aeruginosa PAOl, nous avons découvert NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), un ARNnc induit par la cascade NtrB/C-RpoN en condition de carence en azote. NrsZ a une architecture unique, composée de trois structures en tige- boucle (TB I, II et III) hautement similaires et séparées par des « espaceurs » ayant des séquences variables. De plus, cet ARNnc est clivé en petits fragments correspondant au trois molécules en tige-boucle, par un processus de clivage interne impliquant l'endoribonucléase RNase E. Concernant les fonctions de NrsZ chez P. aeruginosa PAOl, cet ARNnc est capable d'induire la motilité de type « swarming » et la production de biosurfactants, nommés rhamnolipides. Cette régulation est due à l'activation par NrsZ de l'expression de rhlA, un gène essentiel pour la motilité de type swarming et pour la production de rhamnolipides. Étonnamment, la structure TB I est capable d'assurer à elle seule la fonction régulatrice de NrsZ sur l'expression de rhlA, suggérant que ces molécules TBs sont les unités fonctionnelles de cet ARNnc modulaire. Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel NrsZ active l'expression de rhlA demeure à ce jour incertain et est actuellement à l'étude. En plus, le réseau de régulations médiées par NrsZ a été étudié par une analyse de transcriptome qui a indiqué que de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme primaire ou secondaire seraient régulés par NrsZ. Pour accentuer l'importance de NrsZ, nous avons étudié sa conservation dans d'autres espèces de Pseudomonas. Ainsi, nous avons démontré que NrsZ est conservé et exprimé en situation de carence d'azote par les souches Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, quatre espèces ayant des caractéristiques écologiques très différentes, suggérant que NrsZ joue un rôle important dans l'adaptation du genre Pseudomonas envers la carence en azote. Chez toutes les souches étudiées, les différents homologues de NrsZ présentent une architecture similaire faite de TBs conservées et d'espaceurs. Cependant, le nombre de TBs n'est pas identique et peut varier de une à six copies selon la souche. Les différentes versions de NrsZ sont clivées en petites molécules dans ces quatre souches, comme il a été observé chez P. aeruginosa PAOl. De plus, l'expression hétérologue des différentes variantes de NrsZ est capable de restaurer l'expression de rhlA, la motilité swarming et la production de rhamnolipides dans une souche de P. aeruginosa dont nrsZ a été inactivé. Par bien des aspects, NrsZ est un ARNnc atypique dans le monde bactérien. À notre connaissance, NrsZ est le premier ARNnc décrit comme étant régulé par le système NtrB/C. De plus, son unique architecture modulaire et son clivage en petites molécules similaires suggèrent que NrsZ appartient à une nouvelle famille d'ARNncs bactériens.

Growth decrease in Alpine whitefish: investigating the relative contribution of fishing induced selection and environmental change and its implication for conservation measures

La pression exercée par les activités humaines menace pratiquement tous les écosystèmes aquatiques du globe. Ainsi, sous l'effet de divers facteurs tels que la pollution, le réchauffement climatique ou encore la pêche industrielle, de nombreuses populations de poissons ont vu leurs effectifs chuter et divers changements morphologiques ont été observés. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à une menace particulière: la sélection induite par la pêche sur la croissance des poissons. En effet, la génétique des populations prédit que la soustraction régulière des individus les plus gros peut entraîner des modifications rapides de certains traits physiques comme la croissance individuelle. Cela a par ailleurs été observé dans de nombreuses populations marines ou lacustres, dont les populations de féras, bondelles et autres corégones des lacs suisses. Toutefois, malgré un nombre croissant d'études décrivant ce phénomène, peu de plans de gestion en tiennent compte, car l'importance des effets génétiques liés à la pêche est le plus souvent négligée par rapport à l'impact des changements environnementaux. Le but premier de cette étude a donc été de quantifier l'importance des facteurs génétiques et environnementaux. Dans le premier chapitre, nous avons étudié la population de palée du lac de Joux (Coregonus palaea). Nous avons déterminé les différentiels de sélection dus à la pêche, c'est-à-dire l'intensité de la sélection sur le taux de croissance, ainsi que les changements nets de croissance au cours du temps. Nous avons observé une baisse marquée de croissance et un différentiel de sélection important indiquant qu'au moins 30% de la diminution de croissance observée était due à la pression de sélection induite par la pêche. Dans le deuxième chapitre, nous avons effectué les mêmes analyses sur deux espèces proches du lac de Brienz (C. albellus et C. fatioi) et avons observé des effets similaires dont l'intensité était spécifique à chaque espèce. Dans le troisième chapitre, nous avons analysé deux autres espèces : C. palaea et C. confusus du lac de Bienne, et avons constaté que le lien entre la pression de sélection et la diminution de croissance était influencé par des facteurs environnementaux. Finalement, dans le dernier chapitre, nous avons étudié les effets potentiels de différentes modifications de la taille des mailles des filets utilisés pour la pêche à l'aide de modèles mathématiques. Nous concluons que la pêche a un effet génétique non négligeable (et donc peu réversible) sur la croissance individuelle dans les populations observée, que cet effet est lié à la compétition pour la nourriture et à la qualité de l'environnement, et que certaines modifications simples de la taille des mailles des filets de pêche pourraient nettement diminuer l'effet de sélection et ainsi ralentir, voir même renverser la diminution de croissance observée.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.