Charge transfer in DNA: hole charge is confined to a single base pair due to solvation effects

We include solvation effects in tight-binding Hamiltonians for hole states in DNA. The corresponding linear-response parameters are derived from accurate estimates of solvation energy calculated for several hole charge distributions in DNA stacks. Two models are considered: (A) the correction to a diagonal Hamiltonian matrix element depends only on the charge localized on the corresponding site and (B) in addition to this term, the reaction field due to adjacent base pairs is accounted for. We show that both schemes give very similar results. The effects of the polar medium on the hole distribution in DNA are studied. We conclude that the effects of polar surroundings essentially suppress charge delocalization in DNA, and hole states in (GC)n sequences are localized on individual guanines

Phylogeny of shrews (Soricidae) : taxonomic and biogeographic implications

Résumé Les Soricidae sont l'une des plus grandes familles de mammifères avec plus de 300 espèces décrites. Elle a été récemment divisée en trois sous-familles, les Soricidae, qui sont distribuées dans la région Holarctique, les Crocidurinae en Afrique et en Eurasie, et les Myosoricinae en Afrique. La diversité spécifique de cette famille a conduit à des interprétations taxonomiques multiples, qui sont à l'origine de polémiques entre spécialistes, et même les premiers résultats moléculaires ont été fortement contradictoires. Le but de cette thèse est donc d'appliquer des meilleures techniques sur des échantillons mieux ciblés, afin de résoudre les contradictions taxonomiques et comprendre l'histoire de cette famille. Par le biais de marqueurs génétiques mitochondriaux et nucléaires, j'ai étudié: (i) Les relations taxonomiques à différent niveaux hiérarchiques au sein des Soricidae, c'est-à dire, entre les sous-familles, tribus, et genres, ainsi qu'au sein de deux complexes d'espèces largement distribués, et d'une espèce européenne, le but étant d'établir la congruence entre les données génétiques et les interprétations morphologiques classiques. (ii) Les relations biogéographiques, soit l'origine potentielle des différentes sous-familles, tribus, et genres, le nombre d'échanges intercontinentaux, ainsi que la structure phylogéographique à un niveau (péri)-spécifique, afin d'établir l'histoire de la diversification de cette famille. Les analyses combinées d'ADN mitochondrial et nucléaire ont montré un rapport clair entre les taxa à un niveau taxonomique élevé, mettant en évidence les rapports entre les sous-familles, les tribus, et les genres. Bien que Myosorex constitue un groupe monophylétique distinct, sa définition en tant que sous-famille séparée ne peut pas être reconnue. Ainsi, nous proposons d'attribuer un niveau de tribu pour ce clade (inclus dans les Crocidurinae). Nous avons également montré l'inclusion du genre Anourosorex dans les Soricinae et non en position basale dans les Soricidae. Au sein des Crocidurinae, Suncus s'est révélé être paraphylétique, et le genre Diplomesodon devrait être considéré d'un point de vue génétique comme invalide, puisque il se trouve au sein du clade du genre Crocidura. À un niveau taxonomique plus bas, nous avons montré la monophylie de deux complexes d'espèces largement distribués, le groupe de C. suaveolens et de C. olivieri. Néanmoins à l'intérieur de ceux-ci, des différences majeures avec la classification morphologique se sont révélées. Par exemples, C. sibirica n'est pas une espèce valide, les analyses de phylogénie moléculaire ne montrant pas de variations génétiques entre celle-ci et un échantillon de la localité type de C. suaveolens. D'un point de vue biogéographique, les fluctuations climatiques et les activités tectoniques des 20 derniers millions d'années ont fortement influencé la diversité actuelle des Soricidae. À un niveau taxonomique élevé, l'apparition de connexions de terre temporaires entre le Vieux et le Nouveau Monde au Miocène moyen ont mené à plusieurs colonisations indépendantes de l'Amérique par les Soricinae. Celles-ci ónt conduit à une diversification d'une tribu (Notiosoricini), ainsi que de genres (par ex: Cryptotis, Blarina) et d'un sous-genre (Otisorex) endémique au Néarctique. Dans le Vieux Monde, les barrières entre l'Afrique et Eurasie étaient plus perméables, menant à plusieurs échanges bidirectionnels de Crocidurinae. La diversification des clades principaux s'est produite au Miocène, certains clades étant endémiques d'Afrique ou d'Eurasie, tandis que d'autres se sont diversifiés à travers le Vieux Monde. À un niveau spécifique ou péri-spécifique, la fluctuation climatique du Pliocène et les glaciations du Pléistocène ont fortement divisé les populations dans tout le Paléarctique, menant à des entités génétiques distinctes. En Europe, les populations du groupe de C. suaveolens ont été divisées en une lignée Sud-Ouest et une Sud-Est, alors qu'au Proche-Orient et au Moyen-Orient, la diversité de clades est plus importante. En conclusion, mes études ont révélé que du Miocène à nos jours, la diversification des Soricidae a été provoquée par la colonisation de nouveaux habitats (dispersion), ainsi que par l'isolement des populations par diverses barrières (vicariance). Abstract The Soricidae is one of the largest mammalian families with more than 300 species described. It has been recently divided into three subfamilies, the Soricinae, which are distributed in the Holartic region, the Crocidurinae in Africa and Eurasia, and the Myosoricinae in Africa. The specific diversity of this family have led to multiple systematic interpretations and controversies between authors. Fortunately, today, cytotaxonomic, allozymic and molecular studies have permitted to clarify some uncertainties. Nevertheless, the Soricidae remains still poorly known. In this thesis, we aim at understanding with the use of mitochondrial and nuclear markers: (i) the taxonomic relationships at different hierarchical levels within Soricidae, i.e., between the subfamilies, tribes, and genera, as well as within two largely distributed species complexes, and within a European species, the goal being to establish congruence between the genetic data and traditional morphological interpretations; (ii) the biogeographic relationships, especially the potential origin of the different subfamilies, tribes, and genera, the number of transcontinental exchanges, as well as the phylogeographic structure at a (peri)-specific level, in order to establish the history of the genetic diversification of this family. The combined analyses of mitochondrial and nuclear DNA highlight for the first time a clear relationship between taxa at a high taxonomical level, permitting to distinguish the relationships between subfamilies, tribes, and genera. Although Myosorex formed a distinct monophyletic group, its definition as a distinct sub-family cannot be advocated. Thus, we propose to attribute a tribe level for this Glade (included within the Crocidurinae). Additionally, this combination of genes pleads in favour of the inclusion of the genus Anourosorex within the Soricinae and not in a basal position within the Soricidae. Within the Crocidurinae, Suncus appeared to be paraphyletic, and Diplomesodon should be considered from a genetic point of view as invalid, and is presently considered as Crocidura. At a lower taxonomic level, we showed the monophyly of two widely distributed species complexes, the C. suaveolens group and the C. olivieri group. Nevertheless within those, we showed major differences compared to morphological classification. For examples, C. sibirica revealed to not be a valid species, the molecular phylogenetic analyses failed to evidence genetical variations between it and samples of the type locality of C. suaveolens. In a biogeographic point of view, the climatic fluctuations and the tectonic plate activities of the last 20 Myr have strongly influenced the actual diversity of the family. At a high taxonomic level, the successive land bridge connections between the Old and the New World, which occurred during the Middle Miocene, have led to several independent colonisations of America by Soricinae, and a subsequent diversification of endemic Nearctic's tribe (Notiosoricini), genera (e.g. Cryptotis, Blaring) and sub-genus (Otisorex) within the Soricinae. Within the Old World, the barriers between Africa and Eurasia were more permeable, leading to several bidirectional exchanges within the Crocidurinae. The diversification of major clades occurred through the Miocene, some clades being endemic to Africa or Eurasia, whereas others diversified through the Old World. At a species level or a peri-specific level, the Pliocene climatic fluctuation and the Pleistocene glaciations have strongly divided the populations throughout the Palaearctic, leading to well defined genetic entities. In Europe, populations of the C. suaveolens group were split in a classical south-western and south-eastern lineage. In contrast, the Near East and the Middle East reveal many differentiated clades. In conclusion, our studies revealed that, from the Miocene to present, the diversification and speciation events within the Soricidae were caused by natural colonisation of new habitats (dispersion) and isolation of populations by various barriers (vicariance).

Role of ATH5 in the specification of retinal ganglion cells and expression and cell compartmentalization of EFEMP1, a protein associated with Malattia Leventinese

ABSTRACT : The development of the retina is a very complex process, occurring through the progressive restriction of cell fates, from pluripotent cell populations to complex tissues and organs. In all vertebrate species analyzed so far, retinal differentiation starts with the generation of retinal ganglion cells (RGC)s. One of the documented key essential events in the specification of RGCs is the expression of ATHS, an atonal homolog encoding a bHLH transcription factor. Despite the putative role of master regulator of RGC differentiation, the mechanism of integrating its functions into a coherent program underlying the production of this subclass of retinal neurons has not yet been elucidated. By using chromatin immunoprecipitation combined with microarray (ChIP-on-chip) we have screened for ATH5 direct targets in the developing chick retina at two consecutive periods: E3.5 (stage HH22) and E6 (stage HH30), covering the stages of progenitor proliferation, neuroepithelium patterning, RGC specification, cell cycle exit and early neuronal differentiation. In parallel, complementary analysis with Affymetrix expression microarrays was conducted. We compared RGCs versus retina to see if the targets correspond to genes preferentially expressed in RGCs. We also precociously overexpressed ATH5 in the retina of individual embryo, and contralateral retina vas used as a control. Our integrated approach allowed us to establish a compendium of ATH5-targets and enabled us to position ATH5 in the transcription network underlying neurogenesis in the retina. Malattia Leventinese (ML) is an autosomal, dominant retinal dystrophy characterized by extracellular, amorphous deposits known as drusen, between the retinal pigment epithelium (RPE) and Bruch's membrane. On the genetic level, it has been associated with a single missense mutation (R345W) in a widely expressed gene with unknown function called EFEMP1. We determined expression patterns of the EFEMP1 gene in normal and ML human retinas. Our data shown that the upregulation of EFEMP1 is not specific to ML eye, except for the region of the ciliary body. We also analyzed the cell compartmentalization of different versions of the protein (both wild type and mutant). Our studies indicate that both abnormal expression of the EFEMP1 gene and mutation and accumulation of EFEMP 1 protein (inside or outside the cells) might contribute to the ML pathology. Résumé : 1er partie : L'ontogenèse de la rétine est un processus complexe au cours duquel des cellules progénitrices sont engagée, par vagues successives, dans des lignées où elles vont d'abord être déterminées puis vont se différencier pour finalement construire un tissu rétinien composé de cinq classes de neurones (les photorécepteurs, les cellules horizontales, bipolaires, amacrines et ganglionnaires) et d'une seule de cellules gliales (les cellules de Muller). Chez tous les vertébrés, la neurogenèse rétinienne est d'abord marquée par la production des cellules ganglionnaires (RGCs). La production de cette classe de neurone est liée à l'expression du gène ATH5 qui est un homologue du gène atonal chez la Drosophile et qui code pour un facteur de transcription de la famille des protéines basic Helix-Loop-Helix (bHLH). Malgré le rôle central que joue ATH5 dans la production des RGCs, le mécanisme qui intègre la fonction de cette protéine dans le programme de détermination neuronale et ceci en relation avec le développement de la rétine n'est pas encore élucidé. Grâce à une technologie qui permet de combiner la sélection de fragments de chromatine liant ATH5 et la recherche de séquences grâce à des puces d'ADN non-codants (ChIP-on-chip), nous avons recherché des cibles potentielles de la protéine ATH5 dans la rétine en développement. Nous avons conduit cette recherche à deux stades de développement de manière à englober la phase de prolifération cellulaire, la détermination des RGCs, la sortie du cycle cellulaire ainsi que les premières étapes de la différentiation de ces neurones. Des expériences complémentaires nous ont permis de définir les patrons d'expression des gènes sélectionnés ainsi que l'activité promotrice des éléments de régulation identifiés lors de notre criblage. Ces approches expérimentales diverses et complémentaires nous ont permis de répertorier des gènes cibles de la protéine ATH5 et d'établir ainsi des liens fonctionnels entre des voies métaboliques dont nous ne soupçonnions pas jusqu'alors qu'elles puissent être associées à la production d'une classe de neurones centraux. 2ème partie : Malattia Leventinese (ML) est une maladie génétique qui engendre une dystrophie de la rétine. Elle se caractérise par l'accumulation de dépôt amorphe entre l'épithélium pigmentaire et la membrane de Bruch et connu sous le nom de drusen. Cette maladie est liée à une simple mutation non-sens (R345W) dans un gène dénommé EFEMP1 qui est exprimé dans de nombreux tissus mais dont la fonction reste mal définie. Une étude détaillée de l'expression de ce gène dans des rétines humaines a révélé une expression à un niveau élevé du gène EFEMP1 dans divers tissus de l'oeil ML mais également dans des yeux contrôles. Alors que l'accumulation d'ARN messager EFEMP1 dans les cellules de l'épithélium pigmentaire n'est pas spécifique à ML, l'expression de ce gène dans le corps cilié n'a été observée que dans l'oeil ML. Nous avons également comparé la sécrétion de la protéine sauvage avec celle porteuse de la mutation. En résumé, notre étude révèle que le niveau élevé d'expression du gène EFEMP1 ainsi que l'accumulation de la protéine dans certains compartiments cellulaires pourraient contribuer au développement de pathologies rétiniennes liées à ML.

Functional analysis of a conserved DNA methyltransferase in caulobacter crescentus

CcrM is a DNA methyltransferase that methylates the adenine in GANTC motifs in the chromo-some of the bacterial model Caulobacter crescentus. The loss of the CcrM homolog is lethal in C. crescentus and in several other species of Alphaproteobacteria. In this research, we used different experimental and bioinformatic approaches to determine why CcrM is so critical to the physiology of C. crescentus. We first showed that CcrM is a resident orphan DNA methyltransferase in non-Rickettsiales Alphaproteobacteria and that its gene is strictly conserved in this clade (with only one ex¬ception among the genomes sequenced so far). In C. crescentus, cells depleted in CcrM in rich medium quickly lose viability and present an elongated phenotype characteristic of an im¬pairment in cell division. Using minimal medium instead of rich medium as selective and main¬tenance substrate, we could generate a AccrM mutant that presents a viability comparable to the wild type strain and only mild morphological defects. On the basis of a transcriptomic ap¬proach, we determined that several genes essential for cell division were downregulated in the AccrM strain in minimal medium. We offered decisive arguments to support that the efficient transcription of two of these genes, ftsZ and mipZ, coding respectively for the Z-ring forming GTPase FtsZ and an inhibitor of FtsZ polymerization needed for the correct positioning of the Z- ring at mid-cell, requires the methylation of an adenine in a conserved GANTC motif located in their core promoter region. We propose a model, according to which the genome of C. crescentus encodes a transcriptional activator that requires a methylated adenine in a GANTC context to bind to DNA and suggest that this transcriptional regulator might be the global cell-cycle regulator GcrA. In addition, combining a classic genetic approach and in vitro evolution experiments, we showed that the mortality and cell division defects of the AccrM strain in rich medium are mainly due to limiting intracellular levels of the FtsZ protein. We also studied the dynamics of GANTC methylation in C. crescentus using the SMRT technol¬ogy developed by Pacific Biosciences. Our findings support the commonly accepted model, accord¬ing to which the methylation state of GANTC motifs varies during the cell cycle of C. crescentus: before the initiation of DNA replication, the GANTC motifs are fully-methylated (methylated on both strands); when the DNA gets replicated, the GANTC motifs become hemi-methylated (methyl¬ated on one strand only) and this occurs at different times during replication for different loci along the chromosome depending on their position relative to the origin of replication; the GANTC mo¬tifs are only remethylated after DNA replication has finished as a consequence of the massive and short-lived expression of CcrM in predivisional cells. About 30 GANTC motifs in the C. crescentus chromosome were found to be undermethylated in most of the bacterial population; these might be protected from CcrM activity by DNA binding proteins and some of them could be involved in methylation-based bistable transcriptional switches. - CcrM est une ADN méthyltransférase qui méthyle les adénines dans le contexte GANTC dans le génome de la bactérie modèle Caulobacter crescentus. La perte de l'homologue de CcrM chez C. crescentus et chez plusieurs autres espèces d'Alphaproteobactéries est létale. Dans le courant de cette recherche, nous tentons de déterminer pourquoi la protéine CcrM est cruciale pour la survie de C. crescentus. Nous démontrons d'abord que CcrM est une adénine méthyltransférase orpheline résidente, dont le gène fait partie du génome minimal partagé par les Alphaprotéobactéries non-Rickettsiales (à une exception près). Lorsqu'une souche de C. crescentus est privée de CcrM, sa viabilité décroît rapi¬dement et ses cellules présentent une morphologie allongée qui suggère que la division cellulaire est inhibée. Nous sommes parvenus à créer une souche AccrM en utilisant un milieu minimum, au lieu du milieu riche classiquement employé, comme milieu de sélection et de maintenance pour la souche. Lorsque nous avons étudié le transcriptome de cette souche de C. crescentus privée de CcrM, nous avons pu constater que plusieurs gènes essentiels pour le bon déroulement de la division cellulaire bactérienne étaient réprimés. En particulier, l'expression adéquate des gènes ftsZ et mipZ - qui codent, respectivement, pour FtsZ, la protéine qui constitue, au milieu de la cellule, un anneau protéique qui initie le processus de division et pour MipZ, un inhibiteur de la polymérisation de FtsZ qui est indispensable pour le bon positionnement de l'anneau FtsZ - est dépendante de la présence d'une adénine méthylée dans un motif GANTC conservé situé dans leur région promotrice. Nous présentons un modèle selon lequel le génome de C. crescentus code pour un facteur de transcription qui exige la présence d'une adénine méthylée dans un contexte GANTC pour s'attacher à l'ADN et nous suggérons qu'il pourrait s'agir du régulateur global du cycle cellulaire GcrA. En outre, nous montrons, en combinant la génétique classique et une approche basée sur l'évolution expérimentale, que la mortalité et l'inhibition de la division cellulaire caractéristiques de la souche àccrMeη milieu riche sont dues à des niveaux excessivement bas de protéine FtsZ. Nous avons aussi étudié la dynamique de la méthylation du chromosome de C. crescentus sur la base de la technologie SMRT développée par Pacific Biosciences. Nous confirmons le modèle communément accepté, qui affirme que l'état de méthylation des motifs GANTC change durant le cycle cellulaire de C. crescentus: les motifs GANTC sont complètement méthylés (méthylés sur les deux brins) avant de début de la réplication de l'ADN; ils deviennent hémi-méthylés (méthylés sur un brin seulement) une fois répliqués, ce qui arrive à différents moments durant la réplication pour différents sites le long du chromosome en fonction de leur position par rapport à l'origine de répli-cation; finalement, les motifs GANTC sont reméthylés après la fin de la réplication du chromosome lorsque la protéine CcrM est massivement, mais très transitoirement, produite. Par ailleurs, nous identifions dans le chromosome de C. crescentus environ 30 motifs GANTC qui restent en perma-nence non-méthylés dans une grande partie de la population bactérienne; ces motifs sont probable-ment protégés de l'action de CcrM par des protéines qui s'attachent à l'ADN et certains d'entre eux pourraient être impliqués dans des mécanismes de régulation générant une transcription bistable.

Long-distance wound signalling in arabidopsis

The leaves of all plants use elaborate and inducible defence systems to protect themselves. A wide variety of such defences are known and they include defence chemicals such as alkaloids, phenolics and terpenes, physical structures ranging from fibre cells to silica deposits, and a wide variety of defence proteins many of which target digestive processes in herbivores. It has long been known that the defence responses of plants under attack by insects are not restricted to the site of attack. Instead, if a leaf is damaged, defence can be triggered in other parts of the plant body, for example in distal leaves or even in roots and flowers. This raises the question of what are the organ-to-organ signals that coordinate this process. Several hypotheses have been proposed. These include the long-distance transfer of chemical signals through the plant vasculature, hydraulic signals that may transit through the xylem, and electrical signals that would move through living tissues such as the phloem. Much evidence for each of these scenarios has been published. In this thesis we took advantage of the fact that many plant defence responses are regulated by a signal transduction pathway based on a molecule called jasmonic acid. We used this molecule, one of its derivatives (jasmonoyl-isoleucine), and some of the genes it regulates as markers. Using these we investigated the possible role of the electrical signals in the leaf- to-leaf activation of the jasmonate pathway. We found that feeding insects stimulate easily detected electrical activity in the leaves of Arabidopsis thaliana and we used non-invasive surface electrodes to record this activity. This approach showed that jasmonate pathway activity and the electrical activity provoked by mechanical wounding occurred within identical spatial boundaries. Measurements of the apparent speed of surface potentials agreed well with previous velocity estimates for the speed of leaf-to-leaf signals that activate the jasmonate pathway. Using this knowledge we were able to investigate the effects of current injection into Arabidopsis leaves. This resulted in the strong expression of many jasmonate-regulated genes. All these results showed that electrical activity and the activation of jasmonate signalling were highly correlated. In order to test for possible causal links between the two processes, we conducted a small-scale reverse genetic screen on a series of T-DNA insertion mutants in ion channel genes and in other genes encoding proteins such as proton pumps. This screen, which was based on surface potential measurements, revealed that mutations in genes related to ionotropic glutamate receptors in animals had impaired electrical activity after wounding. Combining mutation of two of these glutamate-receptor-like genes in a double mutant reduced the response of leaves to current injection. When a leaf of this double mutant was wounded it failed to transmit a long-distance signal to a distal leaf. This result distinguished the double mutant from the wild-type plant and provides the first genetic evidence that electrical signalling is necessary to coordinate defence responses between organs in plants. - Les feuilles des plantes disposent de systèmes de défense inductibles très élaborés. Un grand nombre de ces systèmes de défenses sont connus et sont basés sur des composés chimiques comme les alcaloïdes, les composés phénoliques ou les terpènes, des systèmes physiques allant de la production de cellules fibreuses aux cristaux de silice ainsi qu'un grand nombre de protéines de défense ciblant le processus digestif des herbivores. Il est connu dépuis longtemps que la réponse défensive de la plante face à l'attaque pas un insecte n'est pas seulement localisée au niveau de la zone d'attaque. A la place, si une feuille est attaquée, les systèmes de défense peuvent être activés ailleurs dans la plante, comme par exemple dans d'autres feuilles, les racines ou même les fleurs. Ces observations soulèvent la question de la nature des signaux d'organes à organes qui régulent ces systèmes. Plusieurs hypothèses ont été formulées; une ou plusieures molécules pourraient être véhiculées dans la plante grâce au système vasculaire, un signal hydraulique transmis au travers du xylème ou encore des signaux électriques transmis par les cellules comme dans le phloème par exemple. De nombreuses études ont été publiées sur ces différentes hypothèses. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses de défense de la plante sont régulées par une même voie de signalisation utilisant l'acide jasmonique. Nous avons utilisé comme marqueurs cette molécule, un de ses dérivés (le jasmonoyl-isoleucine) ainsi que certains des gènes que l'acide jasmonique régule. Nous avons alors testé l'implication de la transmission de signaux électriques dans l'activation de la voie du jasmonate de feuille à feuille. Nous avons découvert que les insectes qui se nourrissent de feuilles d'Arabidopsis thaliana activent un signal électrique que nous avons pu mesurer grâce à une technique non invasive d'électrodes de surface. Les enregistrements ont montré que la génération de signaux électriques et l'activation de la voie du jasmonate avaient lieu aux mêmes endroits. La mesure de la vitesse de déplacement des impulsions électriques correspond aux estimations faites concernant l'activation de la voie du jasmonate. Grâce à cela, nous avons pu tester l'effet d'injection de courant électrique dans les feuilles d'Arabidopsis. La conséquence a été une forte expression de nombreux gènes de la voie du jasmonate, suggérant une forte corrélation entre l'activité électrique et l'activation de la voie du jasmonate. Afin de tester le lien de cause entre ces deux phénomènes, nous avons entrepris un criblage génétique sur une série de mutants d'insertion à l'ADN-T dans des gènes de canaux ioniques et d'autres gènes d'intérêt comme les gènes des pompes à protons. Ce criblage, basé sur la mesure de potentiels de surface, a permis de montrer que plusieurs mutations de gènes liés aux récepteurs au glutamate ionotropique présentent une baisse drastique de leurs activités électriques après une blessure mécanique des feuilles par rapport au type sauvage. Par la combinaison de deux mutations de ces récepteurs au glutamate en un double mutant, on obtient une réponse à la stimulation électrique encore plus faible. Quand une feuille du double mutant est blessée, elle est incapable de transmettre un signal à longue distance vers une feuille éloignée. Ce résultat permet de distinguer le double mutant de la plante sauvage et amène la première preuve génétique que l'activité électrique est nécessaire pour coordonner les réponses de défense entre les organes chez les plantes.

Identification and modelling of human breast cancer subtypes

Résumé Le cancer du sein est le cancer le plus commun chez les femmes et est responsable de presque 30% de tous les nouveaux cas de cancer en Europe. On estime le nombre de décès liés au cancer du sein en Europe est à plus de 130.000 par an. Ces chiffres expliquent l'impact social considérable de cette maladie. Les objectifs de cette thèse étaient: (1) d'identifier les prédispositions et les mécanismes biologiques responsables de l'établissement des sous-types spécifiques de cancer du sein; (2) les valider dans un modèle ín vivo "humain-dans-souris"; et (3) de développer des traitements spécifiques à chaque sous-type de cancer du sein identifiés. Le premier objectif a été atteint par l'intermédiaire de l'analyse des données d'expression de gènes des tumeurs, produite dans notre laboratoire. Les données obtenues par puces à ADN ont été produites à partir de 49 biopsies des tumeurs du sein provenant des patientes participant dans l'essai clinique EORTC 10994/BIG00-01. Les données étaient très riches en information et m'ont permis de valider des données précédentes des autres études d'expression des gènes dans des tumeurs du sein. De plus, cette analyse m'a permis d'identifier un nouveau sous-type biologique de cancer du sein. Dans la première partie de la thèse, je décris I identification des tumeurs apocrines du sein par l'analyse des puces à ADN et les implications potentielles de cette découverte pour les applications cliniques. Le deuxième objectif a été atteint par l'établissement d'un modèle de cancer du sein humain, basé sur des cellules épithéliales mammaires humaines primaires (HMECs) dérivées de réductions mammaires. J'ai choisi d'adapter un système de culture des cellules en suspension basé sur des mammosphères précédemment décrit et pat décidé d'exprimer des gènes en utilisant des lentivirus. Dans la deuxième partie de ma thèse je décris l'établissement d'un système de culture cellulaire qui permet la transformation quantitative des HMECs. Par la suite, j'ai établi un modèle de xénogreffe dans les souris immunodéficientes NOD/SCID, qui permet de modéliser la maladie humaine chez la souris. Dans la troisième partie de ma thèse je décris et je discute les résultats que j'ai obtenus en établissant un modèle estrogène-dépendant de cancer du sein par transformation quantitative des HMECs avec des gènes définis, identifiés par analyse de données d'expression des gènes dans le cancer du sein. Les cellules transformées dans notre modèle étaient estrogène-dépendantes pour la croissance, diploïdes et génétiquement normales même après la culture cellulaire in vitro prolongée. Les cellules formaient des tumeurs dans notre modèle de xénogreffe et constituaient des métastases péritonéales disséminées et du foie. Afin d'atteindre le troisième objectif de ma thèse, j'ai défini et examiné des stratégies de traitement qui permettent réduire les tumeurs et les métastases. J'ai produit un modèle de cancer du sein génétiquement défini et positif pour le récepteur de l'estrogène qui permet de modéliser le cancer du sein estrogène-dépendant humain chez la souris. Ce modèle permet l'étude des mécanismes impliqués dans la formation des tumeurs et des métastases. Abstract Breast cancer is the most common cancer in women and accounts for nearly 30% of all new cancer cases in Europe. The number of deaths from breast cancer in Europe is estimated to be over 130,000 each year, implying the social impact of the disease. The goals of this thesis were first, to identify biological features and mechanisms --responsible for the establishment of specific breast cancer subtypes, second to validate them in a human-in-mouse in vivo model and third to develop specific treatments for identified breast cancer subtypes. The first objective was achieved via the analysis of tumour gene expression data produced in our lab. The microarray data were generated from 49 breast tumour biopsies that were collected from patients enrolled in the clinical trial EORTC 10994/BIG00-01. The data set was very rich in information and allowed me to validate data of previous breast cancer gene expression studies and to identify biological features of a novel breast cancer subtype. In the first part of the thesis I focus on the identification of molecular apacrine breast tumours by microarray analysis and the potential imptìcation of this finding for the clinics. The second objective was attained by the production of a human breast cancer model system based on primary human mammary epithelial cells {HMECs) derived from reduction mammoplasties. I have chosen to adopt a previously described suspension culture system based on mammospheres and expressed selected target genes using lentiviral expression constructs. In the second part of my thesis I mainly focus on the establishment of a cell culture system allowing for quantitative transformation of HMECs. I then established a xenograft model in immunodeficient NOD/SCID mice, allowing to model human disease in a mouse. In the third part of my thesis I describe and discuss the results that I obtained while establishing an oestrogen-dependent model of breast cancer by quantitative transformation of HMECs with defined genes identified after breast cancer gene expression data analysis. The transformed cells in our model are oestrogen-dependent for growth; remain diploid and genetically normal even after prolonged cell culture in vitro. The cells farm tumours and form disseminated peritoneal and liver metastases in our xenograft model. Along the lines of the third objective of my thesis I defined and tested treatment schemes allowing reducing tumours and metastases. I have generated a genetically defined model of oestrogen receptor alpha positive human breast cancer that allows to model human oestrogen-dependent breast cancer in a mouse and enables the study of mechanisms involved in tumorigenesis and metastasis.

Exposition à des particules virales aéroportées potentiellement pathogènes dans des abattoirs et dans la filière du tri des déchets

La caractérisation de l'exposition à des bioaérosols dans différents secteurs de travail a, durant de nombreuses années, été documentée principalement pour les icroorganismes cultivables tels que les bactéries et les champignons. Puis, le développement des méthodes moléculaires d'analyse de l'ADN par amplification de séquences spécifiques ou universelles par PCR(1) a permis une caractérisation beaucoup plus réaliste des expositions en tenant compte, non seulement des bactéries et champignons cultivables, mais aussi des non-cultivables qui représentent l'immense majorité des icroorganismes totaux présents dans l'air. Ainsi, depuis une dizaine d'années, nos connaissances sur les communautés bactériennes et fongiques aéroportées se sont élargies (1). Aujourd'hui, une nouvelle avancée est faite, grâce à la métagénomique(2) qui permet d'identifier (après ou non amplification de l'ADN total) une grande part des séquences d'ADN présentes dans un environnement (2). L'utilisation de la PCR(1) et/ou de la métagénomique(2), dans le domaine de la santé au travail, s'est jusqu'à présent limitée à la caractérisation de l'exposition aux bactéries et champignons laissant de côté les virus. Cependant, il s'avère que beaucoup de virus pathogènes se transmettent par voie aérienne et qu'un grand nombre de travailleurs manipulent des matières pouvant être contaminées. C'est le cas des employés des abattoirs, potentiellement exposés à des virus zoonotiques(3) et des employés d'usines de tri des déchets ménagers solides. Cette note décrit deux études qui ont évalué, pour la première fois dans ces secteurs de travail, l'exposition professionnelle à des particules virales, la première en utilisant la métagénomique(2) et la seconde en utilisant les méthodes PCR(1) classique.

Tandem chimeric transcription as a means to increase protein diversity in the human genome

The “one-gene, one-protein” rule, coined by Beadle and Tatum, has been fundamental to molecular biology. The rule implies that the genetic complexity of an organism depends essentially on its gene number. The discovery, however, that alternative gene splicing and transcription are widespread phenomena dramatically altered our understanding of the genetic complexity of higher eukaryotic organisms; in these, a limited number of genes may potentially encode a much larger number of proteins. Here we investigate yet another phenomenon that may contribute to generate additional protein diversity. Indeed, by relying on both computational and experimental analysis, we estimate that at least 4%–5% of the tandem gene pairs in the human genome can be eventually transcribed into a single RNA sequence encoding a putative chimeric protein. While the functional significance of most of these chimeric transcripts remains to be determined, we provide strong evidence that this phenomenon does not correspond to mere technical artifacts and that it is a common mechanism with the potential of generating hundreds of additional proteins in the human genome.

A comparison of random sequence reads versus 16S rDNA sequences for estimating the biodiversity of a metagenomic library

The construction of metagenomic libraries has permitted the study of microorganisms resistant to isolation and the analysis of 16S rDNA sequences has been used for over two decades to examine bacterial biodiversity. Here, we show that the analysis of random sequence reads (RSRs) instead of 16S is a suitable shortcut to estimate the biodiversity of a bacterial community from metagenomic libraries. We generated 10,010 RSRs from a metagenomic library of microorganisms found in human faecal samples. Then searched them using the program BLASTN against a prokaryotic sequence database to assign a taxon to each RSR. The results were compared with those obtained by screening and analysing the clones containing 16S rDNA sequences in the whole library. We found that the biodiversity observed by RSR analysis is consistent with that obtained by 16S rDNA. We also show that RSRs are suitable to compare the biodiversity between different metagenomic libraries. RSRs can thus provide a good estimate of the biodiversity of a metagenomic library and, as an alternative to 16S, this approach is both faster and cheaper.

Genetic characterization of the ABO blood group in Neandertals

Background: The high polymorphism rate in the human ABO blood group gene seems to be related to susceptibility to different pathogens. It has been estimated that all genetic variation underlying the human ABO alleles appeared along the human lineage, after the divergence from the chimpanzee lineage. A paleogenetic analysis of the ABO blood group gene in Neandertals allows us to directly test for the presence of the ABO alleles in these extinct humans. Results: We have analysed two male Neandertals that were retrieved under controlled conditions at the El Sidron site in Asturias (Spain) and that appeared to be almost free of modern human DNA contamination. We find a human specific diagnostic deletion for blood group O (O01 haplotype) in both Neandertal individuals. Conclusion: These results suggest that the genetic change responsible for the O blood group in humans predates the human and Neandertal divergence. A potential selective event associated with the emergence of the O allele may have therefore occurred after humans separated from their common ancestor with chimpanzees and before the human-Neandertal population divergence.

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.

Reassessing the role of mitochondrial DNA mutations in autism spectrum disorder

Background: There is increasing evidence that impairment of mitochondrial energy metabolism plays an important role in the pathophysiology of autism spectrum disorders (ASD; OMIM number: 209850). A significant proportion of ASD cases display biochemical alterations suggestive of mitochondrial dysfunction and several studies have reported that mutations in the mitochondrial DNA (mtDNA) molecule could be involved in the disease phenotype. Methods: We analysed a cohort of 148 patients with idiopathic ASD for a number of mutations proposed in the literature as pathogenic in ASD. We also carried out a case control association study for the most common European haplogroups (hgs) and their diagnostic single nucleotide polymorphisms (SNPs) by comparing cases with 753 healthy and ethnically matched controls.Results: We did not find statistical support for an association between mtDNA mutations or polymorphisms and ASD.Conclusions: Our results are compatible with the idea that mtDNA mutations are not a relevant cause of ASD and the frequent observation of concomitant mitochondrial dysfunction and ASD could be due to nuclear factors influencing mitochondrion functions or to a more complex interplay between the nucleus and the mitochondrion/mtDNA.

Expression and role of BORIS/CTCFL in human cancer stem cells

Le cancer est défini comme la croissance incontrôlée des cellules dans le corps. Il est responsable de 20 % des décès en Europe. Plusieurs expériences montrent que les tumeurs sont issues et se développent grâce à un petit nombre de cellules, que l'on appelle cellules souches cancéreuses (CSC). Ces CSC sont également responsables de l'apparition de métastases et de la résistance aux médicaments anticancéreux. De ce fait, l'identification des gènes qui contribuent aux propriétés de ces CSC (comme la survie des tumeurs, les métastases et la résistance aux médicaments) est nécessaire pour mieux comprendre la biologie des cancers et d'améliorer la qualité des soins des patients avec un cancer. A ce jour, de nombreux marqueurs ont été proposés ainsi que de nouvelles thérapies ciblées contre les CSC. Toutefois, et malgré les énormes efforts de la recherche dans ce domaine, la quasi-totalité des marqueurs de CSC connus à ce jour sont aussi exprimés dans les cellules saines. Ce projet de recherche visait à trouver un nouveau candidat spécifique des CSC. Le gène BORIS (pour Brother of Regulator of Imprinted Sites), nommé aussi CTCFL (CTCF-like), semble avoir certaines caractéristiques de CSC et pourrait donc devenir une cible prometteuse pour le traitement du cancer. BORIS/CTCFL est une protéine nucléaire qui se lie à l'ADN, qui est exprimée dans les tissus normaux uniquement dans les cellules germinales et qui est réactivée dans un grand nombre de tumeurs. BORIS est impliqué dans la reprogrammation épigénétique au cours du développement et dans la tumorigenèse. En outre, des études récentes ont montré une association entre l'expression de BORIS et un mauvais pronostic chez des patients atteints de différents types de cancers. Nous avons développé une nouvelle technologie basée sur les Molecular Beacon pour cibler l'ARNm de BORIS et cela dans les cellules vivantes. Grâce à ce système expérimental, nous avons montré que seule une toute petite sous-population (0,02 à 5%) de cellules tumorales exprimait fortement BORIS. Les cellules exprimant BORIS ont pu être isolées et elles présentaient les caractéristiques de CSC, telles qu'une forte expression de hTERT et des gènes spécifiques des cellules souches (NANOG, SOX2 et OCT4). En outre, une expression élevée de BORIS a été mise en évidence dans des populations enrichies en CSC ('side population' et sphères). Ces résultats suggèrent que BORIS pourrait devenir un nouveau et important marqueur de CSC. Dans des études fonctionnelles sur des cellules de cancer du côlon et du sein, nous avons montré que le blocage de l'expression de BORIS altère largement la capacité de ces cellules à former des sphères, démontrant ainsi un rôle essentiel de BORIS dans l'auto- renouvellement des tumeurs. Nos expériences montrent aussi que BORIS est un facteur important qui régule l'expression de gènes jouant un rôle clé dans le développement et la progression tumorale, tels le gène hTERT et ceux impliqués dans les cellules souches, les CSC et la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT). BORIS pourrait affecter la régulation de la transcription de ces gènes par des modifications épigénétiques et de manière différente en fonction du type cellulaire. En résumé, nos résultats fournissent la preuve que BORIS peut être classé comme un gène marqueur de cellules souches cancéreuse et révèlent un nouveau mécanisme dans lequel BORIS jouerait un rôle important dans la carcinogénèse. Cette étude ouvre de nouvelles voies pour mieux comprendre la biologie de la progression tumorale et offre la possibilité de développement de nouvelles thérapies anti-tumorales et anti-CSC avec BORIS comme molécule cible. - Cancer is defined as the uncontrolled growth of cells in the body. It causes 20% of deaths in the European region. Current evidences suggest that tumors originate and are maintained thanks to a small subset of cells, named cancer stems cells (CSCs). These CSCs are also responsible for the appearance of metastasis and therapeutic resistance. Consequently, the identification of genes that contribute to the CSC properties (tumor survival, metastasis and therapeutic resistance) is necessary to better understand the biology of malignant diseases and to improve care management. To date, numerous markers have been proposed to use as new CSC- targeted therapies. Despite the enormous efforts in research, almost all of the known CSCs markers are also expressed in normal cells. This project aimed to find a new CSC-specific candidate. BORIS (Brother of Regulator of Imprinted Sites) or CTCFL (CTCF-like) is a DNA binding protein involves in epigenetic reprogramming in normal development and in tumorigenesis. Recent studies have shown an association of BORIS expression with a poor prognosis in different types of cancer patients. Therefore, BORIS seems to have the same characteristics of CSCs markers and it could be a promising target for cancer therapy. BORIS is normally expressed only in germinal cells and it is re-expressed in a wide variety of tumors. We developed a new molecular beacon-based technology to target BORIS mRNA expressing cells. Using this system, we showed that the BORIS expressing cells are only a small subpopulation (0.02-5%) of tumor cells. The isolated BORIS expressing cells exhibited the characteristics of CSCs, with high expression of hTERT and stem cell genes (NANOG, SOX2 and OCT4). Furthermore, high BORIS expression was observed in the CSC-enriched populations (side population and spheres). These results suggest that BORIS might be a novel and powerful CSCs marker. In functional studies, we observed that BORIS knockdown significantly impairs the capacity to form spheres in colon and breast cancer cells, thus demonstrating a critical role of BORIS in the self-renewal of tumors. The results showed in the functional analysis indicate that BORIS is an important factor that regulates the expression of key-target genes for tumor development and progression, such as hTERT, stem cells, CSCs markers and EMT (epithelial mesenchymal transition)-related marker genes. BORIS could affect the transcriptional regulation of these genes by epigenetic modification and in a cell type dependent manner. In summary, our results support the evidence that BORIS can be classified as a cancer stem cell marker gene and reveal a novel mechanism in which BORIS would play a critical role in tumorigenesis. This study opens new prospective to understand the biology of tumor development and provides opportunities for potential anti-tumor drugs.

Evolving from inferences to decisions in the interpretation of scientific evidence

Le travail d'un(e) expert(e) en science forensique exige que ce dernier (cette dernière) prenne une série de décisions. Ces décisions sont difficiles parce qu'elles doivent être prises dans l'inévitable présence d'incertitude, dans le contexte unique des circonstances qui entourent la décision, et, parfois, parce qu'elles sont complexes suite à de nombreuse variables aléatoires et dépendantes les unes des autres. Etant donné que ces décisions peuvent aboutir à des conséquences sérieuses dans l'administration de la justice, la prise de décisions en science forensique devrait être soutenue par un cadre robuste qui fait des inférences en présence d'incertitudes et des décisions sur la base de ces inférences. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin en présentant un cadre théorique pour faire des choix rationnels dans des problèmes de décisions rencontrés par les experts dans un laboratoire de science forensique. L'inférence et la théorie de la décision bayésienne satisfont les conditions nécessaires pour un tel cadre théorique. Pour atteindre son objectif, cette thèse consiste de trois propositions, recommandant l'utilisation (1) de la théorie de la décision, (2) des réseaux bayésiens, et (3) des réseaux bayésiens de décision pour gérer des problèmes d'inférence et de décision forensiques. Les résultats présentent un cadre uniforme et cohérent pour faire des inférences et des décisions en science forensique qui utilise les concepts théoriques ci-dessus. Ils décrivent comment organiser chaque type de problème en le décomposant dans ses différents éléments, et comment trouver le meilleur plan d'action en faisant la distinction entre des problèmes de décision en une étape et des problèmes de décision en deux étapes et en y appliquant le principe de la maximisation de l'utilité espérée. Pour illustrer l'application de ce cadre à des problèmes rencontrés par les experts dans un laboratoire de science forensique, des études de cas théoriques appliquent la théorie de la décision, les réseaux bayésiens et les réseaux bayésiens de décision à une sélection de différents types de problèmes d'inférence et de décision impliquant différentes catégories de traces. Deux études du problème des deux traces illustrent comment la construction de réseaux bayésiens permet de gérer des problèmes d'inférence complexes, et ainsi surmonter l'obstacle de la complexité qui peut être présent dans des problèmes de décision. Trois études-une sur ce qu'il faut conclure d'une recherche dans une banque de données qui fournit exactement une correspondance, une sur quel génotype il faut rechercher dans une banque de données sur la base des observations faites sur des résultats de profilage d'ADN, et une sur s'il faut soumettre une trace digitale à un processus qui compare la trace avec des empreintes de sources potentielles-expliquent l'application de la théorie de la décision et des réseaux bayésiens de décision à chacune de ces décisions. Les résultats des études des cas théoriques soutiennent les trois propositions avancées dans cette thèse. Ainsi, cette thèse présente un cadre uniforme pour organiser et trouver le plan d'action le plus rationnel dans des problèmes de décisions rencontrés par les experts dans un laboratoire de science forensique. Le cadre proposé est un outil interactif et exploratoire qui permet de mieux comprendre un problème de décision afin que cette compréhension puisse aboutir à des choix qui sont mieux informés. - Forensic science casework involves making a sériés of choices. The difficulty in making these choices lies in the inévitable presence of uncertainty, the unique context of circumstances surrounding each décision and, in some cases, the complexity due to numerous, interrelated random variables. Given that these décisions can lead to serious conséquences in the admin-istration of justice, forensic décision making should be supported by a robust framework that makes inferences under uncertainty and décisions based on these inferences. The objective of this thesis is to respond to this need by presenting a framework for making rational choices in décision problems encountered by scientists in forensic science laboratories. Bayesian inference and décision theory meets the requirements for such a framework. To attain its objective, this thesis consists of three propositions, advocating the use of (1) décision theory, (2) Bayesian networks, and (3) influence diagrams for handling forensic inference and décision problems. The results present a uniform and coherent framework for making inferences and décisions in forensic science using the above theoretical concepts. They describe how to organize each type of problem by breaking it down into its différent elements, and how to find the most rational course of action by distinguishing between one-stage and two-stage décision problems and applying the principle of expected utility maximization. To illustrate the framework's application to the problems encountered by scientists in forensic science laboratories, theoretical case studies apply décision theory, Bayesian net-works and influence diagrams to a selection of différent types of inference and décision problems dealing with différent catégories of trace evidence. Two studies of the two-trace problem illustrate how the construction of Bayesian networks can handle complex inference problems, and thus overcome the hurdle of complexity that can be present in décision prob-lems. Three studies-one on what to conclude when a database search provides exactly one hit, one on what genotype to search for in a database based on the observations made on DNA typing results, and one on whether to submit a fingermark to the process of comparing it with prints of its potential sources-explain the application of décision theory and influ¬ence diagrams to each of these décisions. The results of the theoretical case studies support the thesis's three propositions. Hence, this thesis présents a uniform framework for organizing and finding the most rational course of action in décision problems encountered by scientists in forensic science laboratories. The proposed framework is an interactive and exploratory tool for better understanding a décision problem so that this understanding may lead to better informed choices.

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.