Genomics of "chlamydia"-related bacteria

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

Segmental copy number variation shapes tissue transcriptomes

Abstract : Copy number variation (CNV) of DNA segments has recently gained considerable interest as a source of genetic variation likely to play a role in phenotypic diversity and evolution. Much effort has been put into the identification and mapping of regions that vary in copy number among seemingly normal individuals, both in humans and in a number of model organisms, using both bioinformatic and hybridization-based methods. Synteny studies suggest the existence of CNV hotspots in mammalian genomes, often in connection with regions of segmental duplication. CNV alleles can be in equilibrium within a population, but can also arise de novo between generations, illustrating the highly dynamic nature of these regions. A small number of studies have assessed the effect of CNV on single loci, however, at the genome-wide scale, the functional impact of CNV remains poorly studied. We have explored the influence of CNV on gene expression, first using the Williams-Beuren syndrome (WBS) associated deletion as a model, and second at the genome-wide scale in inbred mouse strains. We found that the WBS deletion influences the expression levels not only of the hemizygous genes, but also affects the euploid genes mapping nearby. Consistently, on a genome wide scale we observe that CNV genes are expressed at more variable levels than genes that do not vary in copy number. Likewise, CNVs influence the relative expression levels of genes that map to the flank of the genome rearrangements, thus globally influencing tissue transcriptomes. Further studies are warranted to complete cataloguing and fine mapping of CNV regions, as well as to elucidate the different mechanisms by which CNVs influence gene expression. Résumé : La variation en nombre de copies (copy number variation ou CNV) de segments d'ADN suscite un intérêt en tant que variation génétique susceptible de jouer un r81e dans la diversité phénotypique et l'évolution. Les régions variables en nombre de copies parmi des individus apparemment normaux ont été cartographiées et cataloguées au moyen de puces à ADN et d'analyse bioinformatique. L'étude de la synténie entre plusieurs espèces de mammifères laisse supposer l'existence de régions à haut taux de variation, souvent liées à des duplications segmentaires. Les allèles CNV peuvent être en équilibre au sein d'une population ou peuvent apparaître de novo. Ces faits illustrent la nature hautement dynamique de ces régions. Quelques études se sont penchées sur l'effet de la variation en nombre de copies de loci isolés, cependant l'impact de ce phénomène n'a pas été étudié à l'échelle génomique. Nous avons examiné l'influence des CNV sur l'expression des gènes. Dans un premier temps nous avons utilisé la délétion associée au syndrome de Williams-Beuren (WBS), puis, dans un second temps, nous avons poursuivi notre étude à l'échelle du génome, dans des lignées consanguines de souris. Nous avons établi que la délétion WBS influence l'expression non seulement des gènes hémizygotes, mais également celle des gènes euploïdes voisins. A l'échelle génomique, nous observons des phénomènes concordants. En effet, l'expression des gènes variant en nombre de copies est plus variable que celles des gènes ne variant pas. De plus, à l'instar de la délétion WBS, les CNV influencent l'expression des gènes adjacents, exerçant ainsi un impact global sur les profils d'expression dans les tissus. Résumé pour un large public : De nombreuses maladies ont pour cause un défaut génétique. Parmi les types de mutations, on compte la disparition (délétion) d'une partie de notre génome ou sa duplication. Bien que l'on connaisse les anomalies associées à certaines maladies, les mécanismes moléculaires par lesquels ces réarrangements de notre matériel génétique induisent les maladies sont encore méconnus. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à la régulation des gènes dans les régions susceptibles à délétion ou duplication. Dans ce travail, nous avons démontré que les délétions et les duplications influencent la régulation des gènes situés à proximité, et que ces changements interviennent dans plusieurs organes.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

The role of CTCFL/BORIS in Meiosis

The complexity of mammalian genome organization demands a complex interplay of DNA and proteins to orchestrate proper gene regulation. CTCF, a highly conserved, ubiquitously expressed protein has been postulated as a primary organizer of genome architecture because of its roles in transcriptional activation/repression, insulation and imprinting. Diverse regulatory functions are exerted through genome wide binding via a central eleven zinc finger DNA binding domain and an array of diverse protein-protein interactions through N- and C- terminal domains. CTCFL has been identified as a paralog of CTCF expressed only in spermatogenic cells of the testis. CTCF and CTCFL have a highly homologous DNA-binding domain, while the flanking amino acid sequences exhibit no significant similarity. Genome- wide mapping of CTCF binding sites has been carried out in many cell types, but no data exist for CTCFL apart from a few identified loci. The lack of high quality antibodies prompted us to generate an endogenously flag-tagged CTCFL mouse model using BAC recombination. IHC staining using anti-flag antibodies confirmed CTCFL localization to type Β spermatogonia and preleptotene spermatocytes and a mutually exclusive pattern of expression with CTCF. ChIP followed by high-throughput sequencing identified 10,382 binding sites showing 70% overlap but representing only 20% of CTCF sites. Consensus sequence analysis identified a significantly longer binding motif with prominently less ambiguity of base calling at every position. The significant difference between CTCF and CTCFL genomic binding patterns proposes that their binding to DNA is differentially regulated. Analysis of CTCFL binding to methylated regions on a genome wide scale identified approximately 1,000 loci. Methylation-independent binding of CTCFL might be at least one of the mechanisms that ensures distinct binding patterns of CTCF and CTCFL since CTCF binding is methylation- sensitive. Co-localization of CTCF with cohesin has been well established and analysis of CTCFL and SMC3 overlap identified around 3,300 binding sites from which two related but distinct consensus sequence motifs were derived. Because virtually all data for cohesin binding originate from mitotically proliferating cells, the anticipated overlap is expected to be considerably higher in meiotic cells. Meiosis-specific cohesin subunit Rec8 is specific for spermatocytes and 6 out of the 12 identified binding sites are also bound by CTCFL. In conclusion, this was the first genome-wide mapping of CTCFL binding sites in spermatocytes, the only cell type where CTCF is not expressed. CTCFL has a unique binding site repertoire distinct from CTCF, binds to methylated sequences and shows a significant overlap with cohesin binding sites. Future efforts will be oriented towards deciphering the role CTCFL plays in conversion of chromatin structure and function from mitotic to meiotic chromosomes. - La complexité de l'organisation du génome des mammifères exige une interaction particulière entre ADN et protéines pour orchestrer une régulation appropriée de l'expression des gènes. CTCFL, une protéine ubiquitaire très conservée, serait le principal organisateur de l'architecture du génome de par son rôle dans l'activation / la répression de la transcription, la protection et la localisation des gènes. Diverses régulations sont opérées, d'une part au travers d'interactions à différents endroits du génome par le biais d'un domaine protéique central de liaison à l'ADN à onze doigts de zinc, et d'autre part par des interactions protéine-protéine variées au niveau de leur domaine N- et C-terminal. CTCFL a été identifié comme un paralogue de CTCF exprimé uniquement dans les cellules spermatiques du testicule. CTCFL et CTCF ont un domaine de liaison à l'ADN très homologue, tandis que les séquences d'acides aminés situées de part et d'autre de ce domaine ne présentent aucune similitude. Une cartographie générale des sites de liaison au CTCF a été réalisée pour de nombreux types cellulaires, mais il n'existe aucune donnée pour CTCFL à l'exception de l'identification de quelques loci. L'absence d'anticorps de bonne qualité nous a conduit à générer un modèle murin portant un CTCFL endogène taggué grâce à un procédé de recombinaison BAC. Une coloration IHC à l'aide d'anticorps anti-FLAG a confirmé la présence de CTCFL au niveau des spermatogonies de type Β et des spermatocytes au stade préleptotène, et une distribution mutuellement exclusive avec CTCF. Une méthode de Chromatine Immunoprecipitation (ChIP) suivie d'un séquençage à haut débit a permis d'identifier 10.382 sites de liaison montrant 70% d'homologie mais ne représentant que 20% des sites CTCF. L'analyse de la séquence consensus révèle un motif de fixation à l'ADN nettement plus long et qui comporte bien moins de bases aléatoires à chaque position nucléotidique. La différence significative entre les séquences génomiques des sites de liaison au CTCF et CTCFL suggère que leur fixation à l'ADN est régulée différemment. Appliquée à l'échelle du génome, l'étude de l'interaction de CTCFL avec des régions méthylées de l'ADN a permis d'identifier environ 1.000 loci. Contrairement à CTCFL, la liaison de CTCF dépend de l'état de méthylation de l'ADN ; cette modification épigénétique constitue donc au moins un des mécanismes de régulation expliquant une localisation de CTCF et CTCFL à des sites distincts du génome. La co- localisation de CTCF avec la cohésine étant établie, l'analyse de la superposition des séquences de CTCFL avec la sous-unité SMC3 identifie environ 3.300 sites de liaison parmi lesquels deux mêmes motifs consensus distincts par leur séquence sont mis en évidence. La presque quasi-totalité des données sur la cohésine ayant été établie à partir de cellules en prolifération mitotique, il est probable que la similitude au sein des séquences consensus soit encore plus grande dans le cas des cellules en méiose. La sous-unité Rec8 de la cohésine propre à l'état de méiose est spécifiquement exprimée dans les spermatocytes. Or 6 des 12 sites de liaison identifiés sont également utilisés par CTCFL. Pour conclure, ce travail constitue la première cartographie à l'échelle du génome des sites de liaison de CTCFL dans les spermatocytes, seul type cellulaire où CTCFL n'est pas exprimé. CTCFL possède un répertoire unique de sites de fixation à l'ADN distinct de CTCF, se lie à des séquences méthylées et présente un nombre important de sites de liaison communs avec la cohésine. Les perspectives futures sont d'élucider le rôle de CTCFL dans le remodelage de la structure de la chromatine et de définir sa fonction dans le processus de méiose.

Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.

Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.

Effects of epigenetic regulatory elements on telomeric gene expression

Transgene expression in eukaryotic cells strongly depends on the locus of integration in the host genome and often results in limited transcription level because of unfavorable chromatin structure at the integration site. Epigenetic regulators are DNA sequences which are believed to act on the chromatin structure and may protect transgenes from this so-called position effect. Despite being extensively used to increase transgene expression, the mechanism of action of many of these elements remains largely unknown. Here we evaluated different epigenetic regulatory DNA elements for their ability to protect transgene transcription at telomeres, a defined chromatin environment associated to low or inconsistent expression caused by the Telomere Position Effect (TPE). For the assessment of the effects of epigenetic regulators at telomeres, a novel dual reporter system had to be designed. Telomeric integration of the newly-developed dual reporter system carrying different epigenetic regulators showed that MARs (Matrix Attachment Regions), a UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element) or the chicken cHS4 insulator have strong barrier activity which prevented TPE from spreading toward the centromere, resulting in stable and in some cases increased expression of a telomeric-distal reporter gene. In addition, MARs and STAR element 40 resulted in an increase of cells expressing the telomeric-proximal reporter gene, suggesting also an anti-silencing effect. Chromatin immunoprecipitation assays revealed that at telomeres MARs actively promote the deposition of euchromatic histone marks, especially acetylation of both histone H3 and H4, which might be involved in MARs' barrier and transcriptional activator activities. Differently, the chromatin in proximity of the UCOE element was depleted of several repressive chromatin marks, such as trimethylated lysine 9 and lysine 27 on histone H3 and trimethylated lysine 20 of histone H4, possibly favoring the preservation of an open chromatin structure at the integration site. We conclude that epigenetic regulatory elements that may be used to enhance and sustain transgene expression have all a specific epigenetic signature which might be at the basis of their mechanism of action, and that a combination of different classes of epigenetic regulators might be advantageous when high levels of protein expression are required. - L'expression des transgènes dans les cellules eucaryotes est fortement influencée par leur site d'intégration dans le génome. En effet, une structure chromatinienne défavorable au niveau du site d'intégration peut fortement limiter le degré d'expression d'un transgène. Il existe toutefois des séquences d'ADN qui, en agissant sur la structure de la chromatine, permettent de limiter cet effet de position et, par conséquent, de promouvoir l'expression soutenue d'un transgène. Ces éléments génomiques, connus comme régulateurs épigénétiques, sont largement utilisés dans plusieurs domaines où une expression élevée et soutenue est requise, malgré un mode de fonctionnement parfois méconnu. Dans cette étude, j'ai évalué la capacité de différents régulateurs épigénétiques à protéger la transcription de transgènes au niveau des télomères, régions chromatiniennes bien définies qui ont été associées à un fort effet de silençage, connu comme «effet de position télomérique». Pour cela, un nouveau système à deux gènes rapporteurs a été développé. Lorsque des MARs (Matrix Attachment Regions, séquences d'ADN pouvant s'associer à la matrice nucléaire), un UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element, élément pouvant ouvrir la chromatine) ou l'isolateur génétique cHS4 (dérivé du locus de la β-globine de poulet) sont placés entre les deux gènes rapporteurs, une forte activité barrière bloquant la propagation de la chromatine répressive télomérique est observée, résultant en un plus grand nombre de cellules exprimant le gène télomérique-distal. D'autre part, une augmentation du nombre de cellules exprimant le gène télomérique-proximal, observée en présence des éléments MAR et STAR 40 (Stabilizing Anti-Repressor element 40, un élément pouvant prévenir la répression génique), suggère aussi un faible effet anti-silençage pour ces éléments. Des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine démontrent qu'au télomère, les MARs favorisent l'assemblage de marqueurs de la chromatine active, surtout l'acétylation des histones H3 et H4, qui pourraient être à la base de l'activité barrière et de celle d'activateur transcriptionel. Différemment, la chromatine à proximité de l'élément UCOE est particulièrement pauvre en marqueurs de la chromatine silencieuse, comme la trimethylation des lysines 9 et 27 de l'histone H3, ainsi que la trimethylation de la lysine 20 de l'histone H4. Cela suggère que UCOE pourrait préserver une structure chromatinienne ouverte au site d'intégration, favorisant l'expression des gènes à sa proximité. En conclusion, les régulateurs épigénétiques analysés lors de cette étude ont tous montré une signature épigénétique spécifique qui pourrait être à la base de leurs mécanismes de fonctionnement, suggérant aussi qu'une utilisation d'éléments épigénétiques de classe différente dans un même vecteur d'expression pourrait être avantageuse lorsque de hauts et soutenus niveaux d'expression sont nécessaires.

Transcription factor PROX1 modifies Wnt signaling in colon cancer

PR0X1 est un facteur de transcription très conservé au cours de l'évolution. PROX1 joue un rôle essentiel dans de nombreuses étapes de l'embryogenèse, telles que le développement du système lymphatique ou la migration des hépatocytes. Récemment, il a été démontré que PROX1 contribue à la progression des tumeurs colorectales, en tant que gène cible de la voie de signalisation Wnt. En utilisant des approches de co- immunoprécipitation et de ligature de proximité, nous avons trouvé que PROX1 fait également partie du complexe transcriptionnel TCF/ß-catenin, à la fois dans les cellules humaines de cancer du colon et dans les cellules murines de l'épithélium de l'intestin, dans lesquelles la voie de signalisation Wnt est activée. Dans le but de comprendre le mécanisme d'action de PROX1, nous avons analysé le génome des cellules cancéreuses de colon à la recherche des sites de fixation de PROX1, TCF4 et ß-catenin. Nous avons ainsi pu montrer que TCF4, ß-catenin et PROX1 se fixent simultanément sur une sous- population d'amplificateurs génomiques, sur lesquels PROX1 agit comme répresseur. Ces résultats suggèrent que, spécifiquement dans le cadre du cancer du colon, PROX1 agit en tant que modificateur de la voie de transduction du signal Wnt/ß-catenin. De plus, nous proposons que ceci constitue un des mécanismes par lesquels la signalisation durable de Wnt, qui est observée dans la majorité des cancers du colon, transforme le programme génétique des progéniteurs intestinaux, initialement normal, en output spécifique de ce type de cancers, ce qui contribue plus tard à la croissance infinie de la tumeur, à son caractère invasif et à sa dissémination.

Chromosomal rearrangement and genetic structure in the shrews of the Sorex araneus group

ABSTRACT The role of chromosomal rearrangements in the speciation process is much debated and many theoretical models have been developed. The shrews of the Sorex araneus group offer extraordinary opportunities to study the relationship between chromosomal variation and speciation. Indeed, this group of morphologically very similar species received a great deal of attention due to its karyotypic variability, which is mainly attributed to Robertsonian fusions. To explore the impact of karyotypic changes on genetic differentiation, we first studied the relationship between genetic and karyotypic structure among Alpine species and among chromosome races of the S. araneus group using Bayesian admixture analyses. The results of these analyses confirmed the taxonomic status of the studied species even though introgression can still be detected between species. Moreover, the strong spatial sub-structure highlighted the role of historical factors (e.g. geographical isolation) on genetic structure. Next, we studied gene flow at the chromosome level to address the question of the impact of chromosomal rearrangements on genetic differentiation. We used flow sorted chromosomes from three different karyotypic taxa of the S. araneus group to map microsatellite markers at the chromosóme arm level. We have been able to map 24 markers and to show that the karyotypic organisation of these taxa is well conserved, which suggests that these markers can be used for further inter-taxa studies. A general prediction of chromosomal speciation models is that genetic differentiation between two taxa should be larger across rearranged chromosomes than across chromosomes common to both taxa. We combined two approaches using mapped microsatellites to test this prediction. First, we studied the genetic differentiation among five shrew taxa placed at different evolutionary levels (i.e. within and among species). In this large scale study, we detected an overall significant difference in genetic structure between rearranged vs. common chromosomes. Moreover, this effect varied among pairwise comparisons, which allowed us to differentiate the role of the karyotypic complexity of hybrids and of the evolutionary divergence between taxa. Secondly, we compared the levels of gene flow measured across common vs. rearranged chromosomes in two karyotypically different hybrid zones (strong vs. low complexity of hybrids), which show similar levels of genetic structure. We detected a significantly stronger genetic structure across rearranged chromosomes in the hybrid zone showing the highest level of hybrid complexity. The large variance observed among loci suggested that other factors, such as the position of markers within the chromosome, also certainly affects genetic structure. In conclusion, our results strongly support the role of chromosomal rearrangements in the reproductive barrier and suggest their importance in speciation process of the S. araneus group. RESUME Le rôle des réarrangements chromosomiques dans les processus de spéciation est fortement débattu et de nombreux modèles théoriques ont été développés sur le sujet. Les musaraignes du groupe Sorex araneus présentent de nombreuses opportunités pour étudier les relations entre les variations chromosomiques et la spéciation. En effet, ce groupe d'espèces morphologiquement très proches a attiré l'attention des chercheurs en raison de sa variabilité caryotypique principalement attribuée à des fusions Robertsoniennes. Pour explorer l'impact des changements caryotypiques sur la différenciation génétique, nous avons tout d'abord étudié les relations entre la structure génétique et caryotypique de races chromosomiques et d'espèces alpine du groupe S. araneus en utilisant des analyses Bayesiennes d' « admixture ». Les résultats de ces analyses ont confirmé le statut taxonomique des espèces étudiées bien que nous ayons détecté de l'introgression entre espèces. L'observation d'une sous structure spatiale relativement forte souligne l'importance des facteurs historiques (telle que l'isolation géographique) sur la structure génétique de ce groupe. Ensuite, nous avons étudié le flux de gène au niveau des chromosomes pour aborder de manière directe la question de l'impact des réarrangements chromosomiques sur la différenciation génétique. En conséquence, nous avons utilisé des tris de chromosomes de trois taxons du groupe S. araneus pour localiser des marqueurs microsatellites au niveau du bras chromosomique. Au cours de cette étude, nous avons pu localiser 24 marqueurs et montrer une forte conservation dans l'organisation du caryotype de ces taxa. Ce résultat suggère que leur utilisation est appropriée pour des études entre taxa. Une prédiction générale à tous les modèles de spéciation chromosomique correspond à la plus grande différenciation génétique des chromosomes réarrangés que des chromosomes communs. Nous avons combiné deux approches utilisant des microsatellites localisés au niveau du bras chromosomique pour tester cette prédiction. Premièrement, nous avons étudié la différenciation génétique entre cinq taxa du groupe S. araneus se trouvant à des niveaux évolutifs différents (i.e. à l'intérieur et entre espèce). Au cours de cette étude, nous avons détecté une différenciation globale significativement plus élevée sur les chromosomes réarrangés. Cet effet varie entre les comparaisons, ce qui nous a permis de souligner le rôle de la complexité caryotypique des hybrides et du niveau de divergence évolutive entre taxa. Deuxièmement, nous avons comparé le flux de gènes des chromosomes communs et réarrangés dans deux zones d'hybridation caryotypiquement différentes (forte vs. Faible complexité des hybrides) mais présentant un niveau de différenciation génétique similaire. Ceci nous a permis de détecter une structure génétique significativement plus élevée sur les chromosomes réarrangés au centre de la zone d'hybridation présentant la plus grande complexité caryotypic. La forte variance observée entre loci souligne en outre le fait que d'autres facteurs, tel que la position du marqueur sur le chromosome, affectent probablement aussi la structure génétique mesurée. En conclusion, nos résultats supportent fortement le rôle des réarrangements chromosomiques dans la barrière reproductive entre espèces ainsi que leur importance dans les processus de spéciation des musaraignes du groupe S. araneus.

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

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

Atteinte des voies aériennes au cours des bronchopneumopathies chroniques obstructives (BPCO).

Messages à retenir: Les signes scanographiques d'atteinte des voies aériennes proximales chez les patients BPCO sont l'épaississement pariétal bronchique , les dilatationsbronchiques, les diverticules bronchiques, la trachée en fourreau de sabre et la trachéobronchomalacie.Les signes scanographiques d'atteinte des petites voies aériennes sont soit de type inflammatoire (micronodules centrolobulaires et/ou verre dépoli), soit dessignes indirects d'obstruction bronchiolaire (perfusion en mosaïque et piégeage expiratoire).L'analyse visuelle des examens scanographiques des patients BPCO permet de différencier ceux ayant un emphysème prédominant de ceux ayant une maladiedes voies aériennes prédominante.Des bronchectasies variqueuses et kystiques, associées à de l'emphysème panlobulaire, doivent faire rechercher un déficit en alpha-1-antitrypsine. Résumé: La BPCO est une maladie inflammatoire lentement progressive obstruant les voies aériennes, qui à terme entraîne une destruction du parenchyme pulmonaire(emphysème) et une réduction irréversible du calibre des petites voies aériennes . Les deux phénomènes, emphysème et bronchiolite obstructive, sontresponsables d'un syndrome obstructif fonctionnel. L'usage de la scanographie pour l'évaluation des patients BPCO a permis de mettre en évidence desdifférences morphologiques importantes pour un même degré d'insuffisance respiratoire obstructive (emphysème prédominant ou atteinte des voies aériennesprédominante). Chez les patients BPCO, l'épaississement pariétal bronchique est le reflet indirect d'un remodelage obstructif des petites voies aériennes . L'épaississement pariétal bronchique et l'étendue de l'emphysème sont tous deux corrélés au degré d'obstruction fonctionnelle. Ces différences morphologiquessous-tendent des différences dans les mécanismes physiopathologiques sous-jacents et dans les profils génomiques des patients. La mise en évidence parscanographie de ces différences morphologiques (phénotypes) permet une meilleure stratification des patients à inclure dans les essais cliniques , et à terme,permettra une prise en charge thérapeutique plus personnalisée.

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

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

Copy number variation modifies expression profiles over developmental time

Abstract : A preliminary understanding of the phenotypic effect of copy number variation (CNV) of DNA segments is emerging. These rearrangements were shown to influence, in a somewhat dose-dependent manner, the expression of genes mapping within them. They were also shown to modify the expression of genes located on their Hanks, sometimes at great distance. Here, we demonstrate by monitoring these effects at multiple life stages, that these controls over expression are effective throughout mouse development. Similarly, we observe that the more specific spatial expression patterns of CNV genes are maintained through life. However, 'we find that some brain- expressed genes mapping within CNVS appear to be under compensatory loops only at specific time-points, indicating that the effect of CNVS on these genes is modulated during development. Notably, we also observe that CNV genes are significantly enriched within transcripts that show variable time-course expression between strains. Thus, modifying the copy number of a gene may potentially alter not only its expression level, but its timing of expression as well. Résume : Nous commençons à comprendre les effets phénotypiques liés aux séquences d'ADN qui changent de nombre de copies d'un individu a l'autre. Des travaux précédents ont montré que ces variante de nombre de copies (CNVS) avaient une influence sur l'expression non seulement des gènes se trouvant dans le réarrangement, mais aussi sur ceux se trouvant à une certaine distance. Le présent travail étudie ces effets à différents stades du développement de la souris allant d'un embryon de deux semaines à la souris adulte. Nous avons observé que certains gènes exprimés dans le cerveau semblent soumis à un contrôle plus strict a certaines étapes du développement suggèrent que l'effet des CNVs est modulé différemment au cours de la vie. Notre travail sur trois souches différentes de souris a permis de montrer que les gènes ayant un profil d'expression différent dans le temps entre souches sont enrichis en gènes se trouvant dans des CNVs. Ceci nous amène à penser que les CNVs ont, non seulement une influence sur le niveau d'expression des gènes, mais aussi sur les moments durant lesquels ils seront exprimés. Résumé pour un large public : De nombreuses maladies sont dues soit a un gain (on parle alors de duplication) soit à une perte de matériel génétique (il s'agit dune délétion). Bien que les recherches visant à identifier les mécanismes moléculaires liés à ces réarrangements de notre génome progressent continuellement, la plupart des causes des maladies génétiques restent à élucider. Certaines parties de notre génome sont présentes en un nombre de copies qui diffère d'un individu à l'autre sans pour autant provoquer une ou des maladies. Ces segments d'ADN qui varient en nombre sont appelés Copy Number Variant (CNVs). Ils couvrent environ 12% de notre matériel génétique. Des études menées sur différents modèles animaux ont montré que les CNVs avaient une influence aussi bien sur les gènes qui sont a l'intérieur des CNVs que sur ceux qui sont dans leur voisinage. Ce travail étudie l'effet des CNVs à travers différents stades du développement de la souris. Nous avons démontré que les segments d'ADN qui varient en nombre de copies ont des effets variables selon le stade auxquels ils sont mesurés. Ainsi, les CNVs ont non seulement un impact sur l'expression des gènes présents dans ces régions et dans leur voisinage, mais influencent également leurs profils d'expression au cours du temps.

Characterization of the neuronal microtubule regulator SCG10 in transfected cells and " in vivo "

SUMMARY The ability of neuronal processes to find their way along complex paths and to establish appropriate connections depends on continual rearrangements of the cytoskeletal components. The regulation of microtubules plays an important role for morphological changes underlying nevrite outgrowth, axonal elongation, and growth cone steering. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) is a neuronal growthassociated protein developmentally regulated and highly enriched in the neuronal growth cones. SCG10 presents a microtubule destabilizing activity that could participate to the regulation of microtubule dynamics and thus explain microtubule behaviors in the growth cone during axonal elongation and turning. It is here suggested that a tight control of the opposite effects on microtubules of SCG10 and the stabilizing microtubule-associated protein MAP1B allows a fine tuning of cytoskeletal rearrangement and may provide the required microtubule dynamic instability to promote axonal growth. Moreover, antibodyblockade of SCG10 function, that leads to growth cone pauses similar as those triggered by the guidance molecule EphB, and the modulation of SCG10 activity by the Rho GTPase Rnd1 suggest a potential role for SCG10 in the signal transduction pathways of extracellular guidance cues. The identification of the active zone protein Bassoon as a potential interaction partner for the SCG10-related protein NPC2, using atomic force microscopy as well as COS-7 and neuronal cell cultures, also gives new insights for a role of this protein family into the processes of synapse genesis or plasticity. Finally, SCG10 mutant mice generated by gene targeting and expressing a soluble form of the protein have been characterized during early postnatal development and in the adulthood. Due to the deletion of its membrane binding domain, SCG10 specific subcellular targeting to growth cones is compromised and results in impairments of motor and coordination development. Further histological analysis in the sciatic nerve reveal that these symptoms are associated with neurodegenerative signs. RESUME Une navigation correcte des prolongements cellulaires neuronaux leur permettant de former des connections appropriées repose sur de continuels réarrangements des constituants de leur cytosquelette. La régulation des microtubules joue notamment un rôle important dans les changements morphologiques qui accompagnent la croissance axonale et les réorientations du cône de croissance. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) est une protéine étroitement associée à la croissance neuronale, hautement régulée durant le développement et abondante au niveau du cône de croissance. SCG10 présente une activité déstabilisatrice sur les microtubules qui pourrait permettre une régulation des paramètres dynamiques propres aux microtubules et ainsi expliquer leur comportement durant la navigation du cône de croissance. Il est ici proposé qu'un contrôle précis des effets opposés de SCG10 et d'une autre protéine stabilisante associée aux microtubules (MAP1 B) permette un réglage fin des réarrangements du cytosquelette et puisse ainsi produire l'instabilité dynamique nécessaire à la croissance anale. Par ailleurs, le blocage de la fonction de SCG10 par un anticorps spécifique, conduisant à des pauses du cônes de croissance similaires à celles provoquées par la molécule de guidage EphB, ainsi que la modulation de l'activité de SCG10 par la Rho GTPase Rnd1 suggèrent une potentielle implication de SCG10 dans les voies de transduction des signaux provenant de molécules de guidage extracellulaires. L'identification d'une interaction de la protéine synaptique Bassoon avec la protéine NPC2 apparentée à SCG10, au moyen de la microscopie à force atomique et dans des cultures de cellules neuronales et COS-7, ouvre des perspectives concernant ces protéines dans la formation et la plasticité synaptiques. Finalement, des souris mutantes pour SCG10 produites par ciblage de gène et exprimant une forme soluble de la protéine ont été caractérisées durant la phase précoce du développement et à l'âge adulte. La délétion du domaine permettant l'ancrage de SCG10 aux membranes compromet sa sub-localisation au niveau du cône de croissance et résulte en l'apparition de troubles moteurs et de la coordination. Des analyses histologiques complémentaires au niveau du nerf sciatique montrent que ces symptômes sont associés avec des signes neurodégénératifs.

Control of gene expression in melanocytes and RPE by conserved distal regulatory elements

Résumé Durant le développement embryonnaire, les cellules pigmentaires des mammifères se développent à partir de deux origines différentes : les melanocytes se développent à partir de la crête neurale alors que les cellules de la rétine pigmentaire (RP) ont une origine neuronale. Un grand nombre de gènes sont impliqués dans la pigmentation dont les gènes de la famille tyrosinase à savoir Tyr, Tyrp1 et Dct. Certaines études ont suggéré que les gènes de la pigmentation sont régulés de manière différentielle dans les mélanocytes et dans la RP. Dans ce travail, les gènes de la famille tyrosinase ont été étudiés comme modèle de la régulation des gènes de la pigmentation par des éléments régulateurs agissant à distance. II a été montré que le promoteur du gène Tyrp1pouvait induire l'expression d'un transgène uniquement dans la RP alors que ce gène est aussi exprimé dans les mélanocytes comme le montre le phénotype des souris mutantes pour Tyrp1. Ce résultat suggère que les éléments régulateurs du promoteur sont suffisants pour l'expression dans la RP mais pas pour l'expression dans les mélanocytes. J'ai donc cherché à identifier la séquence qui régule l'expression dans les mélanocytes. Un chromosome artificiel bactérien (CAB) contenant le gène Tyrp1 s'est avéré suffisant pour induire l'expression dans les mélanocytes, comme démontré par la correction du phénotype mutant. La séquence de ce CAB contient plusieurs régions très conservées qui pourraient représenter de nouveaux éléments régulateurs. Par la suite, j'ai focalisé mon analyse sur une séquence située à -I5 kb qui s'est révélée être un amplificateur spécifique aux mélanocytes comme démontré par des expériences de cultures cellulaire et de transgenèse. De plus, une analyse poussée de cet élément a révélé que le facteur de transcription Sox 10 représentait un transactivateur de cet amplificateur. Comme pour Tyrp1, la régulation du gène tyrosinase est contrôlée par différents éléments régulateurs dans les mélanocytes et la RP. Il a été montré que le promoteur de tyrosinase n'était pas suffisant pour une forte expression dans les mélanocytes et la RP. De plus, l'analyse de la région située en amont a révélé la présence d'un amplificateur nécessaire à l'expression dans les mélanocytes à la position -15 kb. Cet amplificateur n'est toutefois pas actif dans la RP mais agit comme un répresseur dans ces cellules. Ces résultats indiquent que certains éléments nécessaires à l'expression dans les deux types de cellules pigmentaires sont absents de ces constructions. Comme pour Tyrp1, j'ai en premier lieu démontré qu'un CAB était capable de corriger le phénotype albinique, puis ai inséré un gène reporter (lacZ) dans le CAB par recombinaison homologue et ai finalement analysé l'expression du reporter en transgenèse. Ces souris ont montré une expression forte du lacZ dans les mélanocytes et la RP, ce qui indique que le CAB contient les séquences régulatrices nécessaires à l'expression correcte de tyrosinase. Afin de localiser plus précisément les éléments régulateurs, j'ai ensuite généré des délétions dans le CAB et analysé l'expression du lacZ en transgenèse. La comparaison de séquences génomiques provenant de différentes espèces a permis par la suite d'identifier des régions représentant de nouveaux éléments régulateurs potentiels. En utilisant cette approche, j'ai identifié une région qui se comporte comme un amplificateur dans la RP et qui est nécessaire à l'expression de tyrosinase dans ce tissu. De plus, j'ai identifié les facteurs de transcription Mitf et Sox10 comme transactivateurs de l'amplificateur spécifique aux mélanocytes situé à -15 kb. L'identification et la caractérisation des ces éléments régulateurs des gènes tyrosinase et Tyrp1confirme donc que la régulation différentielle des gènes dans les mélanocytes et la RP est liée à des éléments régulateurs séparés. Summary Pigment cells of mammals originate from two different lineages: melanocytes arise from the neural crest, whereas cells of the retinal pigment epithelium (RPE) originate from the optic cup of the developing forebrain. A large set of genes are involved in pigmentation, including the members of the tyrosinase gene family, namely tyrosinase, Tyrp1 and Dct. Previous studies have suggested that pigmentation genes are differentially regulated in melanocytes and RPE. In this work, the tyrosinase gene family was used as a model for studying the involvement of distal regulatory elements in pigment cell-specific gene expression. The promoter of the Tyrp1 gene has been shown to drive detectable transgene expression only to the RPE, even though the gene is also expressed in melanocytes as evident from Tyrp1-mutant mice. This indicates that the regulatory elements responsible for Tyrp1 gene expression in the RPE are not sufficient for expression in melanocytes. I thus searched for a putative melanocyte-specific regulatory sequence and demonstrate that a bacterial artificial chromosome (BAC) containing the Tyrp1 gene and surrounding sequences is able to target transgenic expression to melanocytes and to rescue the Tyrp1 b (brown) phenotype. This BAC contains several highly conserved non-coding sequences that might represent novel regulatory elements. I further focused on a sequence located at -15 kb which I identified as amelanocyte-specific enhancer as shown by cell culture and transgenic mice. In addition, further functional analysis identified the transcription factor Sox10 as being able to bind and transactivate this enhancer. As for Tyrp1, tyrosinase gene regulation is mediated by different cis-regulatory elements in melanocytes and RPE. It was shown that the tyrosinase promoter was not sufficient to confer strong and specific expression in melanocytes and RPE. Moreover, analysis of tyrosinase upstream sequence, revealed the presence of a specific enhancer at position -15 kb which was necessary to confer strong expression in melanocytes. This enhancer element however failed to act as an enhancer in the RPE, but rather repressed expression. This indicates that some regulatory elements required for tyrosinase expression in both RPE and melanocytes are still missing from these constructs. As for Tyrp1, I first demonstrated that a BAC containing the Tyr gene is able to rescue the Tyr c (albino) phenotype in mice, then I inserted a lacZ reporter gene in the BAC by homologous recombination, and finally analysed the pattern of lacZ expression in transgenic mice. These mice showed strong lacZ expression in both RPE and melanocytes, indicating that the BAC contains the regulatory sequences required for proper tyrosinase expression. In order to localize more precisely these regulatory elements, I have then generated several deletions in the BAC and analysed lacZ expression in transgenic mice. Multi-species comparative genomic analysis then allowed identifying conserved sequences that potentially represent novel regulatory elements. Using this experimental approach, I identified a region that behaves as a RPE-specific enhancer and that is required for tyrosinase expression in the retina] pigment epithelium. In addition, I identified the transcription factors Mitf and Sox l0 as being transactivators of the melanocyte-specific enhancer located at -l5 kb. The identification and characterization of these tyrosinase and Tyrp1 distal regulatory element supports the idea that separate regulatory sequences mediate differential gene expression in melanocytes and RPE.