Approches bio-informatiques appliquées aux technologies émergentes en génomique

Les études génétiques, telles que les études de liaison ou d’association, ont permis d’acquérir une plus grande connaissance sur l’étiologie de plusieurs maladies affectant les populations humaines. Même si une dizaine de milliers d’études génétiques ont été réalisées sur des centaines de maladies ou autres traits, une grande partie de leur héritabilité reste inexpliquée. Depuis une dizaine d’années, plusieurs percées dans le domaine de la génomique ont été réalisées. Par exemple, l’utilisation des micropuces d’hybridation génomique comparative à haute densité a permis de démontrer l’existence à grande échelle des variations et des polymorphismes en nombre de copies. Ces derniers sont maintenant détectables à l’aide de micropuce d’ADN ou du séquençage à haut débit. De plus, des études récentes utilisant le séquençage à haut débit ont permis de démontrer que la majorité des variations présentes dans l’exome d’un individu étaient rares ou même propres à cet individu. Ceci a permis la conception d’une nouvelle micropuce d’ADN permettant de déterminer rapidement et à faible coût le génotype de plusieurs milliers de variations rares pour un grand ensemble d’individus à la fois. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse vise le développement de nouvelles méthodologies et de nouveaux outils bio-informatiques de haute performance permettant la détection, à de hauts critères de qualité, des variations en nombre de copies et des variations nucléotidiques rares dans le cadre d’études génétiques. Ces avancées permettront, à long terme, d’expliquer une plus grande partie de l’héritabilité manquante des traits complexes, poussant ainsi l’avancement des connaissances sur l’étiologie de ces derniers. Un algorithme permettant le partitionnement des polymorphismes en nombre de copies a donc été conçu, rendant possible l’utilisation de ces variations structurales dans le cadre d’étude de liaison génétique sur données familiales. Ensuite, une étude exploratoire a permis de caractériser les différents problèmes associés aux études génétiques utilisant des variations en nombre de copies rares sur des individus non reliés. Cette étude a été réalisée avec la collaboration du Wellcome Trust Centre for Human Genetics de l’University of Oxford. Par la suite, une comparaison de la performance des algorithmes de génotypage lors de leur utilisation avec une nouvelle micropuce d’ADN contenant une majorité de marqueurs rares a été réalisée. Finalement, un outil bio-informatique permettant de filtrer de façon efficace et rapide des données génétiques a été implémenté. Cet outil permet de générer des données de meilleure qualité, avec une meilleure reproductibilité des résultats, tout en diminuant les chances d’obtenir une fausse association.

Identification de déterminants impliqués dans la différenciation des cellules souches embryonnaires

Les cellules souches ont attiré l’attention du public ces dernières années, grâce non-seulement à leur utilisation comme thérapies visant à s’attaquer à certains types de cancers, mais aussi en relation avec leur potentiel dans le domaine de la médecine regénérative. Il est établi que le destin cellulaire des cellules souches embryonnaires (ESC) est régulé de façon intensive par un groupe de facteur clés agissant sur leur pluripotence. Il est néanmoins envisageable que certains déterminants influençant l’auto-renouvellement et la différenciation de ces cellules soient toujours inconnus. Afin de tester cette hypothèse, nous avons généré, en utilisant une méthode par infections virales, une collection de ESC contenant des délétions chromosomales chevauchantes que nous avons baptisée DelES (Deletion in ES cells). Cette librairie contient plus de 1000 clones indépendants dont les régions délétées couvrent environ 25% du génome murin. À l’aide de cette ressource, nous avons conduit un criblage de formation de corps embryoïdes (EB), démontrant que plusieurs clones délétés avaient un phénotype de différenciation anormal. Nos études de complémentation sur un groupe de clones ont par la suite permis l’identification de Rps14 - un gène codant pour une protéine ribosomale (RP) comme étant haploinsuffisant pour la formation de EB. Dans un deuxième temps, l’analyse approfondie des résultats de notre crible a permis d’identifier un groupe de gènes codants pour des RP qui semblent essentiels pour la différenciation des ESC, mais dispensables pour leur auto-renouvellement. De manière intéressante, les phénotypes anormaux de formation en EB les plus marqués sont associés à des délétions de RP qui se retrouvent au site de sortie des ARN messagers (ARNm) du ribosome, soit Rps5, Rps14 et Rps28. Étonnament, alors qu’un débalancement des RP conduit généralement à une réponse de type p53, l’haploinsuffisance de ces trois gènes ne peut être renversée par une simple réduction des niveaux d’expression de ce gène suppresseur de tumeurs. Finalement, nos études de profilage polysomal et de séquençage à haut-débit montrent une signature spécifique de gènes liés au mésoderme chez un clone hétérozygote pour Rps5, suggérant ainsi une explication au phénotype de différenciation p53-indépendant identifié chez ces ESC. Nos travaux rapportent donc la création d’une ressource intéressante de génomique fonctionnelle qui a permis de mettre à jour le rôle essentiel que jouent les RP dans le processus de formation de EB. Nos résultats permettent aussi de documenter une réponse p53-indépendante suite à un débalancement de RP dans un contexte opposant l’auto-renouvellement et la différenciation des ESC.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Implication du virus Epstein-Barr ainsi que de la protéine virale EBNA1 dans la modification de l’épissage alternatif et dans le développement du cancer de l’estomac

Le virus Epstein-Barr est un des virus dotés de propriétés oncogéniques. Ceci est inquiétant car le virus est présent sous forme d’infection latente dans 95% de la population adulte au niveau mondial. Bien que ce virus soit associé surtout aux lymphomes, d’autres types de cancer sont aussi connus par leur association à cette infection tels que le carcinome gastrique. En fait, 10% de tous les cas de carcinome gastrique sont associés à la présence du virus Epstein-Barr. Plusieurs protéines du virus ont été étudiées individuellement afin d’établir leurs propriétés oncogéniques. Parmi celles-ci, la protéine virale EBNA1 joue un rôle important au niveau de la carcinogénèse et son expression est détectée au niveau des tissus gastriques cancéreux associés à l’infection par le virus Epstein-Barr. Des études réalisées au cours de ces dernières années montrent la relation entre un patron aberrant de l’épissage alternatif des ARN messagers et différents types de cancer, comme le cancer du sein et de la prostate. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire visent à établir si le virus Epstein-Barr est capable de changer le patron d’épissage alternatif au niveau des tissus cancéreux de l’estomac. L’utilisation de données de séquençage à haut débit fait sur des tissus cancéreux et tissus sains d’estomac (infectés ou non par le virus Epstein-Barr) permettra d’estimer les changements au niveau du patron d’épissage alternatif en relation à l’état des tissus et de la présence du virus Epstein-Barr. Les résultats obtenus nous montrent que l’épissage alternatif de plus de 500 gènes est altéré lorsque le virus est présent. Parmi ces gènes plusieurs codent pour des facteurs d’épissage, des facteurs de transcription, et des suppresseurs de tumeurs qui pourraient être impliqués dans le processus de développement du cancer. Finalement, nos résultats montrent que le patron d’épissage alternatif d’une cellule est modifié lorsque celle-ci est infectée par le virus Epstein-Barr ou qu’elle exprime une de ses protéines virales EBNA1, et ces altérations touchent plusieurs gènes impliqués dans des processus biologiques et qui semblent favoriser le développement du cancer.

Diversité microbienne associée au cycle du méthane dans les mares de fonte du pergélisol subarctique

La fonte et l’effondrement du pergélisol riche en glace dans la région subarctique du Québec ont donné lieu à la formation de petits lacs (mares de thermokarst) qui émettent des gaz à effet de serre dans l’atmosphère tels que du dioxyde de carbone et du méthane. Pourtant, la composition de la communauté microbienne qui est à la base des processus biogéochimiques dans les mares de fonte a été très peu étudiée, particulièrement en ce qui concerne la diversité et l’activité des micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la diversité phylogénétique et fonctionnelle des micro-organismes dans les mares de fonte subarctiques en lien avec les caractéristiques de l’environnement et les émissions de méthane. Pour ce faire, une dizaine de mares ont été échantillonnées dans quatre vallées situées à travers un gradient de fonte du pergélisol, et disposant de différentes propriétés physico-chimiques. Selon les vallées, les mares peuvent être issues de la fonte de palses (buttes de tourbe, à dominance organique) ou de lithalses (buttes de sol à dominance minérale) ce qui influence la nature du carbone organique disponible pour la reminéralisation microbienne. Durant l’été, les mares étaient fortement stratifiées; il y avait un fort gradient physico-chimique au sein de la colonne d’eau, avec une couche d’eau supérieure oxique et une couche d’eau profonde pauvre en oxygène ou anoxique. Pour identifier les facteurs qui influencent les communautés microbiennes, des techniques de séquençage à haut débit ont été utilisées ciblant les transcrits des gènes de l’ARNr 16S et des gènes impliqués dans le cycle du méthane : mcrA pour la méthanogenèse et pmoA pour la méthanotrophie. Pour évaluer l’activité des micro-organismes, la concentration des transcrits des gènes fonctionnels a aussi été mesurée avec des PCR quantitatives (qPCR). Les résultats montrent une forte dominance de micro-organismes impliqués dans le cycle du méthane, c’est-à-dire des archées méthanogènes et des bactéries méthanotrophes. L’analyse du gène pmoA indique que les bactéries méthanotrophes n’étaient pas seulement actives à la surface, mais aussi dans le fond de la mare où les concentrations en oxygène étaient minimales; ce qui est inattendu compte tenu de leur besoin en oxygène pour consommer le méthane. En général, la composition des communautés microbiennes était principalement influencée par l’origine de la mare (palse ou lithalse), et moins par le gradient de dégradation du pergélisol. Des variables environnementales clefs comme le pH, le phosphore et le carbone organique dissous, contribuent à la distinction des communautés microbiennes entre les mares issues de palses ou de lithalses. Avec l’intensification des effets du réchauffement climatique, ces communautés microbiennes vont faire face à des changements de conditions qui risquent de modifier leur composition taxonomique, et leurs réponses aux changements seront probablement différentes selon le type de mares. De plus, dans le futur les conditions d’oxygénation au sein des mares seront soumises à des modifications majeures associées avec un changement dans la durée des périodes de fonte de glace et de stratification. Ce type de changement aura un impact sur l’équilibre entre la méthanogenèse et la méthanotrophie, et affectera ainsi les taux d’émissions de méthane. Cependant, les résultats obtenus dans cette thèse indiquent que les archées méthanogènes et les bactéries méthanotrophes peuvent développer des stratégies pour survivre et rester actives au-delà des limites de leurs conditions d’oxygène habituelles.

La face cachée de la dune : communautés fongiques du sol: dynamique, succession et interactions avec la végétation d’un écosystème dunaire côtier aux Îles de la Madeleine, Qc

Les écosystèmes dunaires remplissent plusieurs fonctions écologiques essentielles comme celle de protéger le littoral grâce à leur capacité d’amortissement face aux vents et vagues des tempêtes. Les dunes jouent aussi un rôle dans la filtration de l’eau, la recharge de la nappe phréatique, le maintien de la biodiversité, en plus de présenter un attrait culturel, récréatif et touristique. Les milieux dunaires sont très dynamiques et incluent plusieurs stades de succession végétale, passant de la plage de sable nu à la dune bordière stabilisée par l’ammophile à ligule courte, laquelle permet aussi l’établissement d’autres herbacées, d’arbustes et, éventuellement, d’arbres. Or, la survie de ces végétaux est intimement liée aux microorganismes du sol. Les champignons du sol interagissent intimement avec les racines des plantes, modifient la structure des sols, et contribuent à la décomposition de la matière organique et à la disponibilité des nutriments. Ils sont donc des acteurs clés de l’écologie des sols et contribuent à la stabilisation des dunes. Malgré cela, la diversité et la structure des communautés fongiques, ainsi que les mécanismes influençant leur dynamique écologique, demeurent relativement méconnus. Le travail présenté dans cette thèse explore la diversité des communautés fongiques à travers le gradient de succession et de conditions édaphiques d’un écosystème dunaire côtier afin d’améliorer la compréhension de la dynamique des sols en milieux dunaires. Une vaste collecte de données sur le terrain a été réalisée sur une plaine de dunes reliques se trouvant aux Îles de la Madeleine, Qc. J’ai échantillonné plus de 80 sites répartis sur l’ensemble de ce système dunaire et caractérisé les champignons du sol grâce au séquençage à haut débit. Dans un premier temps, j’ai dressé un portait d’ensemble des communautés fongiques du sol à travers les différentes zones des dunes. En plus d’une description taxonomique, les modes de vie fongiques ont été prédits afin de mieux comprendre comment les variations au niveau des communautés de champignons du sol peuvent se traduire en changements fonctionnels. J’ai observé un niveau de diversité fongique élevé (plus de 3400 unités taxonomiques opérationnelles au total) et des communautés taxonomiquement et fonctionnellement distinctes à travers un gradient de succession et de conditions édaphiques. Ces résultats ont aussi indiqué que toutes les zones des dunes, incluant la zone pionière, supportent des communautés fongiques diversifiées. Ensuite, le lien entre les communautés végétales et fongiques a été étudié à travers l’ensemble de la séquence dunaire. Ces résultats ont montré une augmentation claire de la richesse spécifique végétale, ainsi qu’une augmentation de la diversité des stratégies d’acquisition de nutriments (traits souterrains lié à la nutrition des plantes, soit mycorhizien à arbuscule, ectomycorhizien, mycorhizien éricoide, fixateur d’azote ou non spécialisé). J’ai aussi pu établir une forte corrélation entre les champignons du sol et la végétation, qui semblent tous deux réagir de façon similaire aux conditions physicochimiques du sol. Le pH du sol influençait fortement les communautés végétales et fongiques. Le lien observé entre les communautés végétales et fongiques met l’emphase sur l’importance des interactions biotiques positives au fil de la succession dans les environnements pauvres en nutriments. Finalement, j’ai comparé les communautés de champignons ectomycorhiziens associées aux principales espèces arborescentes dans les forêts dunaires. J’ai observé une richesse importante, avec un total de 200 unités taxonomiques opérationnelles ectomycorhiziennes, appartenant principalement aux Agaricomycètes. Une analyse de réseaux n’a pas permis de détecter de modules (c'est-à-dire des sous-groupes d’espèces en interaction), ce qui indique un faible niveau de spécificité des associations ectomycorhiziennes. De plus, je n’ai pas observé de différences en termes de richesse ou de structure des communautés entre les quatre espèces hôtes. En conclusion, j’ai pu observer à travers la succession dunaire des communautés diversifiées et des structures distinctes selon la zone de la dune, tant chez les champignons que chez les plantes. La succession semble toutefois moins marquée au niveau des communautés fongiques, par rapport aux patrons observés chez les plantes. Ces résultats ont alimenté une réflexion sur le potentiel et les perspectives, mais aussi sur les limitations des approches reposant sur le séquençage à haut-débit en écologie microbienne.

Cartographie des cassures bicaténaires du remodelage chromatinien du spermatide et développement des outils techniques associés.

Résumé : La phase haploïde de la spermatogenèse (spermiogenèse) est caractérisée par une modification importante de la structure de la chromatine et un changement de la topologie de l’ADN du spermatide. Les mécanismes par lesquels ce changement se produit ainsi que les protéines impliquées ne sont pas encore complètement élucidés. Mes travaux ont permis d’établir la présence de cassures bicaténaires transitoires pendant ce remodelage par l’essai des comètes et l’électrophorèse en champ pulsé. En procédant à des immunofluorescences sur coupes de tissus et en utilisant un extrait nucléaire hautement actif, la présence de topoisomérases ainsi que de marqueurs de systèmes de réparation a été confirmée. Les protéines de réparation identifiées font partie de systèmes sujets à l’erreur, donc cette refonte structurale de la chromatine pourrait être génétiquement instable et expliquer le biais paternel observé pour les mutations de novo dans de récentes études impliquant des criblages à haut débit. Une technique permettant l’immunocapture spécifique des cassures bicaténaires a été développée et appliquée sur des spermatides murins représentant différentes étapes de différenciation. Les résultats de séquençage à haut débit ont montré que les cassures bicaténaires (hotspots) de la spermiogenèse se produisent en majorité dans l’ADN intergénique, notamment dans les séquences LINE1, l’ADN satellite et les répétions simples. Les hotspots contiennent aussi des motifs de liaisons des protéines des familles FOX et PRDM, dont les fonctions sont entre autres de lier et remodeler localement la chromatine condensée. Aussi, le motif de liaison de la protéine BRCA1 se trouve enrichi dans les hotspots de cassures bicaténaires. Celle-ci agit entre autres dans la réparation de l’ADN par jonction terminale non-homologue (NHEJ) et dans la réparation des adduits ADN-topoisomérase. De façon remarquable, le motif de reconnaissance de la protéine SPO11, impliquée dans la formation des cassures méiotiques, a été enrichi dans les hotspots, ce qui suggère que la machinerie méiotique serait aussi utilisée pendant la spermiogenèse pour la formation des cassures. Enfin, bien que les hotspots se localisent plutôt dans les séquences intergéniques, les gènes ciblés sont impliqués dans le développement du cerveau et des neurones. Ces résultats sont en accord avec l’origine majoritairement paternelle observée des mutations de novo associées aux troubles du spectre de l’autisme et de la schizophrénie et leur augmentation avec l’âge du père. Puisque les processus du remodelage de la chromatine des spermatides sont conservés dans l’évolution, ces résultats suggèrent que le remodelage de la chromatine de la spermiogenèse représente un mécanisme additionnel contribuant à la formation de mutations de novo, expliquant le biais paternel observé pour certains types de mutations.

Design and analysis of ChIP-Seq experiments for nuclear factor I DNA-binding proteins

SUMMARY : Eukaryotic DNA interacts with the nuclear proteins using non-covalent ionic interactions. Proteins can recognize specific nucleotide sequences based on the sterical interactions with the DNA and these specific protein-DNA interactions are the basis for many nuclear processes, e.g. gene transcription, chromosomal replication, and recombination. New technology termed ChIP-Seq has been recently developed for the analysis of protein-DNA interactions on a whole genome scale and it is based on immunoprecipitation of chromatin and high-throughput DNA sequencing procedure. ChIP-Seq is a novel technique with a great potential to replace older techniques for mapping of protein-DNA interactions. In this thesis, we bring some new insights into the ChIP-Seq data analysis. First, we point out to some common and so far unknown artifacts of the method. Sequence tag distribution in the genome does not follow uniform distribution and we have found extreme hot-spots of tag accumulation over specific loci in the human and mouse genomes. These artifactual sequence tags accumulations will create false peaks in every ChIP-Seq dataset and we propose different filtering methods to reduce the number of false positives. Next, we propose random sampling as a powerful analytical tool in the ChIP-Seq data analysis that could be used to infer biological knowledge from the massive ChIP-Seq datasets. We created unbiased random sampling algorithm and we used this methodology to reveal some of the important biological properties of Nuclear Factor I DNA binding proteins. Finally, by analyzing the ChIP-Seq data in detail, we revealed that Nuclear Factor I transcription factors mainly act as activators of transcription, and that they are associated with specific chromatin modifications that are markers of open chromatin. We speculate that NFI factors only interact with the DNA wrapped around the nucleosome. We also found multiple loci that indicate possible chromatin barrier activity of NFI proteins, which could suggest the use of NFI binding sequences as chromatin insulators in biotechnology applications. RESUME : L'ADN des eucaryotes interagit avec les protéines nucléaires par des interactions noncovalentes ioniques. Les protéines peuvent reconnaître les séquences nucléotidiques spécifiques basées sur l'interaction stérique avec l'ADN, et des interactions spécifiques contrôlent de nombreux processus nucléaire, p.ex. transcription du gène, la réplication chromosomique, et la recombinaison. Une nouvelle technologie appelée ChIP-Seq a été récemment développée pour l'analyse des interactions protéine-ADN à l'échelle du génome entier et cette approche est basée sur l'immuno-précipitation de la chromatine et sur la procédure de séquençage de l'ADN à haut débit. La nouvelle approche ChIP-Seq a donc un fort potentiel pour remplacer les anciennes techniques de cartographie des interactions protéine-ADN. Dans cette thèse, nous apportons de nouvelles perspectives dans l'analyse des données ChIP-Seq. Tout d'abord, nous avons identifié des artefacts très communs associés à cette méthode qui étaient jusqu'à présent insoupçonnés. La distribution des séquences dans le génome ne suit pas une distribution uniforme et nous avons constaté des positions extrêmes d'accumulation de séquence à des régions spécifiques, des génomes humains et de la souris. Ces accumulations des séquences artéfactuelles créera de faux pics dans toutes les données ChIP-Seq, et nous proposons différentes méthodes de filtrage pour réduire le nombre de faux positifs. Ensuite, nous proposons un nouvel échantillonnage aléatoire comme un outil puissant d'analyse des données ChIP-Seq, ce qui pourraient augmenter l'acquisition de connaissances biologiques à partir des données ChIP-Seq. Nous avons créé un algorithme d'échantillonnage aléatoire et nous avons utilisé cette méthode pour révéler certaines des propriétés biologiques importantes de protéines liant à l'ADN nommés Facteur Nucléaire I (NFI). Enfin, en analysant en détail les données de ChIP-Seq pour la famille de facteurs de transcription nommés Facteur Nucléaire I, nous avons révélé que ces protéines agissent principalement comme des activateurs de transcription, et qu'elles sont associées à des modifications de la chromatine spécifiques qui sont des marqueurs de la chromatine ouverte. Nous pensons que lés facteurs NFI interagir uniquement avec l'ADN enroulé autour du nucléosome. Nous avons également constaté plusieurs régions génomiques qui indiquent une éventuelle activité de barrière chromatinienne des protéines NFI, ce qui pourrait suggérer l'utilisation de séquences de liaison NFI comme séquences isolatrices dans des applications de la biotechnologie.

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.

Differential miRNA and IncRNA expression in embryonic stem cells lacking the Notch1 receptor

Embryonic stem (ES) cells-derived cardiomyocytes represent an attractive source of cells in cell replacement therapies for heart disease. However, controlled cardiogenic differentiation of ES cells requires a complete understanding of the complex molecular mechanisms regulating the differentiation process. We have previously shown that differentiation of ES cells into cardiomyocytes is favored by inactivation of the Notch 1 receptor pathway. In the present study, we therefore compared two ES cell lines, one with normal Notchl expression and one carrying deleted Notchl receptor alleles (Notchl-deleted ES cells) in order to identify genes responsible for the increased propensity of Notchl-deleted ES cells to produce cardiomyocytes. Using RNA-sequencing, we found approximately 300 coding and noncoding transcripts, which are differently expressed in undifferentiated Notchl-deleted ES cells. Since accumulating evidences indicate that long noncoding RNAs (IncRNAs) play important roles in ES cell pluripotency and differentiation, we focused our analysis on modulated IncRNAs. In particular, two IncRNAs, named here lnc 1230 and lnc 1335, are highly induced in the absence of Notchl receptor expression. These represent therefore prime candidates that could favor cardiogenic commitment in undifferentiated ES cells. Indeed, we demonstrate that forced expression of these two IncRNAs in wild-type ES cells result in a significant increase of the number of cardiac progenitor cells and cardiomyocytes in the differentiated progeny of these ES cells. Furthermore, we also identify several microRNAs that are differentially modulated in absence of Notchl expression. Among these are miR-142-5p and miR- 381-3p. Interestingly, both lncl230 and lncl335 are targets of these two microRNAs. Altogether, these data suggest that Notchl-dependent noncoding gene networks, implicating microRNAs and IncRNAs, control embryonic stem cell commitment into the mesodermal and cardiac lineages already at the undifferentiated state. - Les cardiomyocytes issus cellules souches embryonnaires sont une source très prometteuse pour les thérapies cellulaire de remplacement dans le cadre des maladies cardiaques. Cependant, l'utilisation de telles cellules requiert une compréhension poussée des mécanismes moléculaire régulant la différenciation. Nous avons par le passé démontré que la différenciation des cellules souches embryonnaires en cardiomyocytes est favorisée par l'inactivation de la voie d'activation intracellulaire dépendante du récepteur Notch 1. Nous avons donc comparé deux lignées de cellules souches embryonnaires, une présentant une voie d'activation Notchl normale et une chez laquelle les allèles codant pour le récepteur Notchl avaient été invalidés, de façon à identifier les gènes impliqués dans la capacité augmentée des cellules déficientes à produire des cardiomyocytes. En utilisant du séquençage d'ARN à haut débit, nous avons trouvé environ 300 gènes différemment exprimés dans les cellules déficientes pour Notchl. Par ailleurs, des évidences de plus en plus nombreuses suggèrent qu'une nouvelle classe de molécules appelée « long noncoding RNAs » joue un rôle prépondérant dans la maintenance de l'état non différencié et de la capacité de différenciation des cellules souches embryonnaires. Nous avons trouvé que plusieurs « long noncoding RNAs » étaient modulés en l'absence de Notchl, et en particulier deux molécules que nous avons appelées lncl230 et lncl335. Ces derniers représentent des candidats potentiels devant permettre de favoriser la production de cardiomyocytes. Nous avons en effet démontré que la surexpression de ces deux candidats dans des cellules souches embryonnaires résultait en une surproduction de cardiomyocytes. De plus, nous avons également identifié plusieurs microRNAs dont l'expression était modulée dans les cellules souches embryonnaires déficientes dans la voie Notchl. De façon intéressante, parmi ces microRNAs, le miR-142-5p et le miR-381-3p sont capables de cibler lncl230 and lncl335. Dans l'ensemble, ces résultats indiquent donc que des réseaux d'interaction dépendant de la voie d'activation Notch 1 et impliquant des ARNs non codant existent dans les cellules souches embryonnaires pour réguler leur différenciation en différent types cellulaires spécifiques.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Evaluation de la tolérance subjective et hémodynamique des membranes de dialyse à faible et haut flux chez les patients sous hémodialyse intermittente chronique : un essai contrôlé randomisé

Les membranes de dialyse à haut flux et à faible flux pourraient être liées à différents profils hemodynamiques pendant les séances de dialyse. Cette étude visait à comparer le profil hémodynamique des certains filtres de dialyse polysulfone couramment utilisés en Suisse. Nous avons réalisé une étude ouverte, cross-over, avec 25 pazients en hémodialyse On a comparés entre eux 4 filtres de polysulfone de la surface de 1 8 m2 A (Revaclear HF, Gambro), B (Helixone HF, Fresenius), C (Xevonta HF, BBraun) et D (Helixone LF Fresenius). Le profil hémodynamique a été mesuré en utilisant une technique non invasive et au patient a été demandé de fournir une opinion sur la tolérance à la seance de dialyse. La même membrane était utilisée pour 3 séances de suites Chaque semaine la membrane de dialyse était modifiée conformément à la séquence de randomisation. Pour chaque patient on a recueillie les données de 12 séances de dialyse. L'étude a été réalisé sur trois mois à compter de novembre 2012. Les analyses ont encore une fois montré la supériorité des filtres à haut débit comparés aux filtres à faible débit, et ne tendance à la supériorité du filtre Helixone (haut debit) comparé aux deux autres membranes. Les filtres à faible débit par rapport a ceux a haut debit sont associés ä une pression systolique et diastolique plus élevées a des résistances périphériques plus hautes et à un débit cardiaque plus faible L incidence d'épisodes d'hypotension en dialyse était la suivante: Revaclear HF (A) 70 Helixone HF (B) 87 Xevonta HF 73 (C), Helixone LF (D) 75. Le nombre d'épisodes d hypotension associée au filtre B était supérieure, de manière significative. La membrane à faible flux était associée à une pression artérielle supérieure à celles des membranes de haut flux. La membrane à haut flux Helixone garantie la meilleure efficacité de dialyse. Malheureusement, la même membrane est associée à une augmentation de l'incidence des épisodes d'hypotension, probablement due à un déséquilibré hé à l'efficacité de la dialyse. Malgré ces résultats, la tolérance subjective pour les différents filtres était comparable.

Post-transcriptional regulation of circadian gene expression by miRNAs

La grande majorité des organismes vivants ont développé un système d'horloges biologiques internes, appelées aussi horloges circadiennes, contrôlant l'expression de gênes impliqués dans de nombreux processus moléculaires et comportementaux. Au cours de la dernière décennie, des analyses « microarray » et séquençages à haut débit sur divers tissus de mammifères, indiquent que jusqu'à 20% du transcriptome serait sous contrôle circadien. Il était jusqu'à présent admis que la majorité des ARNm ayant une accumulation rythmique était générée par une transcription qui était elle-même rythmique. Toutefois, de récentes études ont suggéré qu'une proportion considérable des ARNm cycliques serait en fait générée par des mécanismes post-transcriptionnelles, incluant une régulation par micro-ARN (miARN). Lorsque j'ai débuté mon travail de thèse, l'influence des miARN sur l'expression des gènes circadiens, au niveau pangénomique, était encore méconnue. Par l'utilisation d'un modèle murin, dont la biogenèse des miARN a été spécifiquement désactivée au niveau des cellules hépatiques (knockout conditionnel pour Dicer), je me suis donc intéressée au rôle que jouaient ces molécules régulatrices sur la rythmicité de l'expression génique dans le foie. Des séquençages sur l'ensemble du transcriptome révèlent que l'horloge interne du foie est étonnement résistante à la perte totale des miARN. Nous avons cependant trouvé que les miARN agissent de façon importante sur la régulation de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge moléculaire. La corégulation par les miARN, affectant jusqu'à 30% des gènes transcrits de façon rythmiques, conduit ainsi à une modulation de phase et d'amplitude du rythme de l'abondance des ARNm. En revanche, seuls peu de transcrits dépendent uniquement des miARN pour la rythmicité de leur accumulation. Enfin, mon travail met en évidence plusieurs miARN spécifiques, qui semblent préférentiellement moduler l'expression des gènes cycliques et permet l'identification de voies hépatiques particulièrement sujettes à une double régulation par les miARN et l'horloge biologique interne. La première masse d'analyses a essentiellement porté sur le rôle que jouent les miARN au niveau de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge interne. Dans deux études de suivi, je me suis penchée sur deux aspects supplémentaires et complémentaires de la manière dont les miARN et l'oscillation de l'expression des gènes interagissent. Dans les hépatocytes murins, spécifiquement privés de Dicer, je me suis demandée si un phénotype horloge avait pu être masqué, dû à un entraînement stable de l'horloge du foie par l'horloge maîtresse du cerveau. J'ai donc commencé une série d'expériences ambitieuses (impliquant la mesure de la rythmicité du foie in vivo, chez l'animal vivant) afin de déséquilibrer l'entrainement de l'horloge hépatique via l'utilisation d'un protocole nutritionnel spécifique. Les premiers résultats suggèrent que dans des conditions où l'animal subit une restriction alimentaire pendant la journée, les miARN sont importants dans la cinétique d'adaptation des organes périphériques à un nouvel horaire de sustentation. Dans une deuxième ligne de recherche, j'ai plus profondément étudié quels seraient les miARN responsables des rythmes post-transcriptionnels des ARNm, en utilisant le séquençage de « small » ARN sur 24h. L'analyse est en cours et se poursuivra après l'obtention de mon diplôme. De façon générale, mon travail révèle d'importants et nouveaux rôles des miARN dans la modulation de l'expression circadienne des gènes hépatiques. De plus, le set de données générées dans l'étude déjà publiée, peut dorénavant servir de ressource valable pour de prochaines investigations sur le rôle physiologique que les miARN jouent au niveau du foie. -- Most living organisms have developed internal timing systems, called circadian clocks, to drive the rhythmic expression of genes involved in many molecular and behavioral processes. Over the last decade, microarray analyses and high- throughput sequencing from various mammalian tissues have indicated that up to 20% of the transcriptome are under circadian control. It was generally assumed that the majority of rhythmic mRNA accumulation is generated by rhythmic transcription. However, recent studies have suggested that a considerable proportion of mRNA cycling may actually be generated by post-transcriptional mechanisms, including by microRNAs. When I started my thesis work, it was still unknown how miRNAs influence circadian gene expression in a genome-wide fashion. Using a mouse model in which miRNA biogenesis can be inactivated in hepatocytes (conditional Dicer knockout mouse), I have thus addressed the role that these regulatory molecules play in rhythmic gene expression in the liver. Whole transcriptome sequencing revealed that the hepatic core clock was surprisingly resilient to total miRNA loss. However, we found that miRNAs acted as important regulators of clock-controlled gene expression. Co- regulation by miRNAs, which affected up to 30% of rhythmically transcribed genes, thus led to the modulation of phases and amplitudes of mRNA abundance rhythms. By contrast, only very few transcripts were strictly dependent on miRNAs for their rhythmic accumulation. Finally, my work highlights several specific miRNAs that appear to preferentially modulate cyclic gene expression, and identifies pathways in the liver that are particularly prone to dual regulation through miRNAs and the clock. The first bulk of analyses mainly dealt with the role that miRNAs play at the level of rhythmic clock output gene expression. In two follow-up studies I further delved into two additional, complementary aspects of how miRNAs and gene expression oscillations interact. First, I addressed whether a core clock phenotype in the hepatocyte-specific Dicer knockout could have been masked due to the stable entrainment of the liver clock by the animals' master clock in the brain. I thus started a series of ambitious experiments (involving the in vivo recording of liver rhythms in live animals) to bring the stable entrainment of the liver clock out of equilibrium using specific feeding protocols. My first results suggest that under conditions when animals are challenged by food restriction to daytime, miRNAs are important for the kinetics of adapting to unusual mealtime in peripheral tissue. In a second line of research, I have more carefully investigated which miRNAs are responsible for post- transcriptional mRNA rhythms using small RNA sequencing around-the-clock. The analyses are ongoing and will be continued after my graduation. Overall, my work uncovered important and novel roles of miRNA activity in shaping hepatic circadian gene expression; moreover, the datasets collect in the published studies can serve as a valuable resource for further investigations into the physiological roles that miRNAs play in liver. -- L'alternance du jour et de la nuit dirige depuis longtemps la vie quotidienne des êtres humains et de la plupart des organismes sur terre. Ce cycle de 24 heures façonne beaucoup de changements comportementaux et physiologiques tels que la vigilance, la température corporelle et le sommeil. Les rythmes journaliers, appelés rythmes circadiens, sont dirigés par des horloges biologiques tournant dans presque chaque cellule du corps. Une structure dans le cerveau agit en tant qu'horloge maitresse pour synchroniser les horloges internes entre elles et en fonction des signaux de jour/nuit extérieurs. Dans les cellules "les gènes de l'horloge" sont activés et désactivés une fois par jour ce qui déclenche des cycles dans lesquels des protéines sont produites de manière circadienne. Ces rythmes protéiques sont spécialisés pour chaque tissu ou organe et peuvent les aider à réaliser leurs tâches quotidiennes. Les rythmes circadiens peuvent être générés d'autres manières n'impliquant pas directement les composants des gènes de l'horloge. Les ARN messagers (ARNm) sont des molécules intermédiaires dans la production de protéines à partir d'ADN. Dans le foie des souris jusqu'à 20% des molécules d'ARNm sont produites suivant des rythmes circadiens. Le foie réalise des tâches essentielles dans le contrôle du métabolisme incluant celui des hydrates de carbone, des graisses et du cholestérol. Un timing précis est important afin de traiter les substances nutritives correctement lors des repas il en résulte une variation des quantités de certains ARNm et protéines coïncidant avec les repas. Les microARNs constituent une autre classe de molécules ARN de très petite taille qui régulent l'efficacité de traduction des ARNm en protéines et la stabilité des ARNm. Lors de mon travail de thèse, j'ai exploré de manière approfondie l'influence de ces petits régulateurs sur les rythmes circadiens du foie de souris. Ces expériences qui impliquaient le "Knock-out" d'un gène essentiel à la production de microARNs montrent qu'au lieu de générer les rythmes des ARNm, les microARNs les ajustent pour répondre aux besoins spécifiques du foie comme assurer leur pic au bon moment de la journée. Le ciblage de microARNs spécifiques peut révéler de nouvelles stratégies pour rectifier ces rythmes lorsque par exemple les fonctions métaboliques ne fonctionnent plus normalement. -- The rising and setting of the sun have long driven the daily schedules of humans and most organisms on the earth. This 24-hr cycle shapes many behavioural and physiological changes, such as alertness, body temperature, and sleep. These daily rhythms, which are called circadian rhythms, are dictated by biological clocks that are ticking in almost every single cell of the body. A region in the brain acts as a master clock to synchronize the internal clocks with each other and with the outside light/dark cycles. In cells, "core clock genes" are turned on and off once per day, which triggers cycles that cause some proteins to be produced in a circadian manner. The protein rhythms are specialized to a particular tissue or organ, and may help them to carry out their designated daily tasks. However, circadian rhythms might also be produced by other ways that do not involve these core clock components. Messenger RNAs (mRNAs) are intermediate molecules in the production of proteins from DNA. In the mouse liver, up to 20% of mRNA molecules are produced in circadian cycles. The liver performs essential tasks that control metabolism-including that of carbohydrates, fats, and cholesterol. Precisely timing when certain mRNAs and proteins reach peaks and troughs in their activities to coincide with mealtimes is important for nutrients to be properly processed. Other RNA molecules called microRNAs, i.e. RNAs of very small size, regulate at which rate mRNA molecules are translated into proteins. In my thesis work, I have explored at the influence of these small regulators on circadian rhythms in the mouse liver in greater detail. These experiments, which involved "knocking out" a gene that is essential for the production of microRNAs, show that rather than generating the mRNA rhythms, the microRNAs appear to adjust them to meet the specific needs of the liver, such as ensuring that they peak at the right time-of-day. Targeting specific microRNA molecules may reveal new strategies to tweak these rhythms, which could help to improve conditions when metabolic functions go wrong.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

The plant ovule omics : an integrative approach for pollen−pistil interactions and pollen tube guidance studies in solanaceous species

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.