Information and risk management during the first trimester care for pregnant women: Some reflections about the ethical challenges and the legal framework in Switzerland. [L'information et la gestion des risques dans le suivi de la grossesse lors du 1er trimestre : quelques réflexions sur le défi éthique et le cadre légal en Suisse.]

The progress in prenatal medicine raises complex questions with respect to the physician-patient relationship. The physician needs to reconcile medical aspects, ethical principles as well as judicial norms. Already, during the first trimester, the physician has to put into practice the schedule combining for each individual pregnancy physical, laboratory and other appropriate exams. Physicians are under the obligation to inform in a clear and comprehensive way without creating unnecessary anxiety for their patients. Legal requirements include informed consent, the respect for the patient's right to self-determination, and compliance with the Swiss federal law on genetic testing, especially with its articles on prenatal screening and diagnosis. This article discusses the complexity of obstetrical practice when it comes to delivering adequate information within the scope of ethical and legal requirements in Switzerland. L'évolution de la médecine prénatale soulève des enjeux complexes dans la relation médecin-patient. Il s'agit de concilier à la fois les aspects médicaux, les principes éthiques et les normes juridiques. Dès le premier trimestre de la grossesse le médecin doit poser le cadre du suivi et des examens appropriés pour chaque grossesse. Son devoir est d'informer de manière claire et précise sans inquiéter inutilement, en respectant l'exigence légale d'un consentement éclairé et plus largement le droit de la patiente à l'autodétermination ainsi que le cadre de la loi fédérale suisse sur l'analyse génétique humaine dans le domaine du dépistage et du diagnostic prénatal. Cet article discute de la complexité de l'information et de l'application des principes éthiques et légaux dans la pratique obstétricale en Suisse.

La spéciation écologique racontée au travers de l'étude de l'évolution des poissons-clowns et de quelques autres

Ecological speciation and its hallmark, adaptive radiation is a process from which most of the current biodiversity derives. As ecological opportunity allows species to colonise unoccupied niches, natural selection drives adaptive phenotypical change. In this thesis, I begin by describing how this evolutionary process acted on the evolution of the clownfishes. During its infancy, this iconic group of coral reef fishes developed a mutualism with sea anemone species. I show how this event triggered the evolutionary radiation of the group, generating species that now inhabit diverse habitats of the coral reefs. Following the appearance of the mutualism, the diversification of the clownfish was catalysed by hybridisation events which shuffled genes, allowing hybrids to reach new fitness optima. While the clownfishes appeared in the region of the coral triangle, a lineage colonised the eastern shores of Africa. I reconstructed the geographic history of the group and showed that this event lead to the rapid appearance of new species, replicating the evolutionary patterns of the original radiation. To better grasp the mechanisms of ecological speciation, I conducted analyses at the population level and identified similar evolutionary patterns than found at the clade level. I discuss how such result suggests a continuity bridging micro- and macroevolution, which so far only been theorised. In parallel to this study case, I question whether biotic and abiotic interactions can promote or restrain ecological speciation. Indeed, I show how the ecological setting of species can drastically impact on their diversification dynamics. Moreover, tradeoffs can occur between specialisation made on different ecological axes allowing species cohabitation. Overall, I show in this work that regardless of the few simple rules that explain the mechanism of ecological speciation, the unavoidable interactions with the ever changing ecological context lead diversification events to give always a different outcome. It is thus primordial to account for the ecological settings of species when discussing their evolutionary dynamics. LA SPÉCIATION ÉCOLOGIQUE RACONTÉE AU TRAVERS DE L'ÉTUDE DE L'ÉVOLUTION DES POISSONS-CLOWNS ET DE QUELQUES AUTRES Le phénomène de spéciation écologique est à l'origine de la majeure partie de la biodiversité que l'on rencontre aujourd'hui. Au fil des opportunités qu'elles rencontrent, les espèces colonisent l'espace écologique laissant la sélection naturelle forger leur phénotype moyen. Malgré l'omniprésence de ce phénomène dans la nature, beaucoup de questions qui lui sont relatives restent à élucider. C'est afin de mieux comprendre ce mécanisme que j'étudie les poissons-clowns, célèbres habitants des récifs coralliens. Dans ce travail, je démontré que le développement du comportement mutualiste liant les poissons-clowns aux anémones de mer fut l'événement qui déclencha leur diversification. Suite à ce premier événement, j'illustre comment l'hybridation entre lignées primordiales a remodelé la diversité génétique du groupe et catalysé leur radiation évolutive. Je poursuis en reconstruisant l'expansion géographique des poissons-clowns au cours du temps depuis le triangle de corail, leur lieu d'origine, jusqu'aux côtes d'Afrique de l'Ouest. Afin d'affiner ces analyses générales sur le groupe, je continue en étudiant plus finement des populations d'une seule espèce de poisson-clown. Cette fine résolution me permet de comprendre plus précisément quels sont les facteurs écologiques qui permettent aux poissons-clowns de se différencier. Les résultats de ces analyses suggèrent qu'il est important de comprendre les liens entre le contexte écologique et la diversification des espèces. J'étudie cette question dans la seconde partie de ce travail en montrant que l'hétérogénéité du paysage ou les liens entretenus avec un partenaire mutualiste influencent fortement la dynamique évolutive des espèces. Finalement, j'illustre les compromis que chaque espèce réalise en se spécialisant ou non dans ses interactions avec l'environnent. Plus généralement, je souligne dans ce travail l'influence du contexte écologique sur le résultat de la spéciation écologique. Ce sont ces interactions entre les organismes et leur environnent qui sont à l'origine de l'incroyable diversité de la vie. Il est donc primordial de les prendre en compte lors de l'étude de l'évolution des espèces.

Dissection of hormone-responsive plasma membrane to nucleus signaling of Bravis Radix : its role in vascular differentiation and root meristem growth

AbstractPlants continuously grow during their complete life span and understanding the mechanisms that qualitatively regulate their traits remains a challenging topic in biology. The hormone auxin has been identified as a crucial molecule for shaping plant growth, as it has a role in most developmental processes. In the root, the directional, so-called polar transport of auxin generates a peak of concentration that specifies and maintains the stem cell niche and a subsequent gradient of decreasing concentration that also regulates cell proliferation and differentiation. For these reasons, auxin is considered the main morphogen of the root, as it is fundamental for its organization and maintenance. Recently, in Arabidopsis thaliana, a natural variation screen allowed the discovery of BREVIS RADIX (BRX) gene as a limiting factor for auxin responsive gene expression and thus for root growth.In this study, we discovered that BRX is a direct target of auxin that positively feeds back on auxin signaling, as a transcriptional co-regulator, through interaction with the Auxin Response Factor (ARF) MONOPTEROS (MP), modulating the auxin gene response magnitude during the transition between division and differentiation in the root meristem. Moreover, we provide evidence that BRX is activated at the plasma membrane level as an associated protein before moving into the nucleus to modulate cellular growth.To investigate the discrepancy between the auxin concentration and the expression pattern of its downstream targets, we combined experimental and computational approaches. Expression profiles deviating from the auxin gradient could only be modeled after intersection of auxin activity with the observed differential endocytosis pattern and with positive auto- regulatory feedback through plasma- membrane-to-nucleus transfer of BRX. Because BRX is required for expression of certain auxin response factor targets, our data suggest a cell-type-specific endocytosis-dependent input into transcriptional auxin perception. This input sustains expression of a subset of auxin-responsive genes across the root meristem's division and transition zones and is essential for meristem growth. Thus, the endocytosis pattern provides specific positional information to modulate auxin response. RésuméLes plantes croissent continuellement tout au long de leur cycle de vie. Comprendre et expliquer les mécanismes impliqués dans ce phénomène reste à l'heure actuelle, un défi. L'hormone auxine a été identifiée comme une molécule essentielle à la régulation de la croissance des plantes, car impliquée dans la plupart des processus développementaux. Dans la racine, le transport polaire de l'auxine, par la génération d'un pic de concentration, spécifie et maintient la niche de cellules souches, et par la génération d'un gradient de concentration, contrôle la prolifération et la différentiation cellulaire. Puisque l'auxine est essentielle pour l'organisation et la maintenance du système racinaire, il est considéré comme son principal morphogène. Récemment, dans la plante modèle, Arabidopsis thalinana, un criblage des variations génétique a permis d'identifier le gène Brevis radix (BRX) comme facteur limitant l'expression des gènes de réponse à l'auxine et par là même, la croissance de la racine.Dans ce travail, nous avons découvert que BRX est une cible direct de l'auxine qui rétroactive positivement le signalement de l'hormone, agissant ainsi comme un régulateur transcriptionnel à travers l'interaction avec la protéine Monopteros (MP) de la famille des facteurs de réponse à l'auxine (Auxin Responsive Factor, ARF), et modulant ainsi la magnitude de la réponse des gènes reliés à l'auxine durant la division et la différentiation cellulaire dans le méristème de la racine. De plus, nous fournissons des preuves que BRX est activées au niveau de la membrane plasmique, tel une protéine associée se déplaçant à l'intérieur du noyau et modulant la croissance cellulaire.Pour mener à bien l'investigation des divergences entre la concentration de l'auxine et les schémas d'expression de ses propres gènes cibles, nous avons combiné les approches expérimentales et computationnelles. Les profiles d'expressions déviant du gradient d'auxine pourraient seulement être modéliser après intersection de l'activité de l'auxine avec les schémas différentiels d'endocytose observés et les boucles de rétroaction positives et autorégulatrices par le transfert de BRX de la membrane plasmique au noyau. Puisque BRX est requis pour l'expression de certains gènes cibles des facteurs de réponse à l'auxine, nos données suggèrent une contribution dépendante d'une endocytose spécifique au type de cellule dans la perception transcriptionnelle à l'auxine Cette contribution soutient l'expression d'un sous-set de gène de réponse à l'auxine dans la division du méristème racinaire et la zone de transition, et par conséquent, est essentielle pour la croissance méristematique. Ainsi, le schéma d'endocytose fournit des informations positionnelles spécifiques à la modulation de la réponse à l'auxine.

Computational analysis of the genetic and environmental contributions to disease-related human phenotypes: From predicting adverse lipid response of HIV patients receiving antiretroviral therapy to genome-wide association studies of cardiovascular and lipid related disorders

Genetic variants influence the risk to develop certain diseases or give rise to differences in drug response. Recent progresses in cost-effective, high-throughput genome-wide techniques, such as microarrays measuring Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), have facilitated genotyping of large clinical and population cohorts. Combining the massive genotypic data with measurements of phenotypic traits allows for the determination of genetic differences that explain, at least in part, the phenotypic variations within a population. So far, models combining the most significant variants can only explain a small fraction of the variance, indicating the limitations of current models. In particular, researchers have only begun to address the possibility of interactions between genotypes and the environment. Elucidating the contributions of such interactions is a difficult task because of the large number of genetic as well as possible environmental factors.In this thesis, I worked on several projects within this context. My first and main project was the identification of possible SNP-environment interactions, where the phenotypes were serum lipid levels of patients from the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) treated with antiretroviral therapy. Here the genotypes consisted of a limited set of SNPs in candidate genes relevant for lipid transport and metabolism. The environmental variables were the specific combinations of drugs given to each patient over the treatment period. My work explored bioinformatic and statistical approaches to relate patients' lipid responses to these SNPs, drugs and, importantly, their interactions. The goal of this project was to improve our understanding and to explore the possibility of predicting dyslipidemia, a well-known adverse drug reaction of antiretroviral therapy. Specifically, I quantified how much of the variance in lipid profiles could be explained by the host genetic variants, the administered drugs and SNP-drug interactions and assessed the predictive power of these features on lipid responses. Using cross-validation stratified by patients, we could not validate our hypothesis that models that select a subset of SNP-drug interactions in a principled way have better predictive power than the control models using "random" subsets. Nevertheless, all models tested containing SNP and/or drug terms, exhibited significant predictive power (as compared to a random predictor) and explained a sizable proportion of variance, in the patient stratified cross-validation context. Importantly, the model containing stepwise selected SNP terms showed higher capacity to predict triglyceride levels than a model containing randomly selected SNPs. Dyslipidemia is a complex trait for which many factors remain to be discovered, thus missing from the data, and possibly explaining the limitations of our analysis. In particular, the interactions of drugs with SNPs selected from the set of candidate genes likely have small effect sizes which we were unable to detect in a sample of the present size (<800 patients).In the second part of my thesis, I performed genome-wide association studies within the Cohorte Lausannoise (CoLaus). I have been involved in several international projects to identify SNPs that are associated with various traits, such as serum calcium, body mass index, two-hour glucose levels, as well as metabolic syndrome and its components. These phenotypes are all related to major human health issues, such as cardiovascular disease. I applied statistical methods to detect new variants associated with these phenotypes, contributing to the identification of new genetic loci that may lead to new insights into the genetic basis of these traits. This kind of research will lead to a better understanding of the mechanisms underlying these pathologies, a better evaluation of disease risk, the identification of new therapeutic leads and may ultimately lead to the realization of "personalized" medicine.

Analyses génétiques : comment réagir en cas de résultats inattendus ?

Identification génétique, test de paternité, de fratrie, de maternité, tests génétiques diagnostiques, prédictifs, de porteurs et pharmacogénomiques, pénétrance de 100% ou incomplète... Ma cosa fare in questi casi? Pièges et traquenards...

Molecular genetics of narcolepsy

1 Abstract Sleep is a vital necessity, yet its basic physiological function is still unknown, despite numerous studies both in healthy humans and animal models. The study of patients with sleep disorders may help uncover major biological pathways in sleep regulation and thus shed light on the actual function of sleep. Narcolepsy is a well defined but rare sleep disorder characterized by excessive daytime sleepiness and cataplexy, thought to be caused by a combination of genetic and environmental factors. The aim of this work was to identify genes or genetic variants, which contribute to the pathogenesis of sporadic and familial narcolepsy. Sporadic narcolepsy is the disorder with the strongest human leukocyte antigen (HLA) association ever reported. Since the associated HLA-DRB1 *1501-DQB1 *0602 haplotype is common in the general population (15-25%), it has been suggested that it is necessary but not sufficient for developing narcolepsy. To further define the genetic basis of narcolepsy risk, we performed a genome-wide association study (GWAS) in 562 European individuals with narcolepsy (cases) and 702 ethnically matched controls, with independent replication in 370 cases and 495 controls, all heterozygous for DRB1*1501-DQB1*0602. We found association with a protective variant near HLA-DQA2. Further analysis revealed that the identified SNP is strongly linked to DRB1*03-DQB1*02 and DRBΠ 301-DQB1*0603. Cases almost never carried a trans DRB1*1301-DQB1*0603 haplotype. This unexpected protective HLA haplotype suggests a causal involvement of the HLA region in narcolepsy susceptibility. Familial cases of narcolepsy account for 10% of all narcolepsy cases. However, due to low number of affected family members, narcolepsy families are usually not eligible for genetic linkage studies. We identified and characterized a large Spanish family with 11 affected family members representing the largest ever reported narcolepsy family. We ran a genetic linkage analysis using DNA of 11 affected and 15 unaffected family members and hereby identified a chromosomal candidate region on chromosome 6 encompassing 163 kb with a maximum multipoint LOD score of 5.02. The coding sequences of 4 genes within this haplotype block as well as 2 neighboring genes were screened for pathogenetic mutations in 2 affected and 1 healthy family members. So far no pathogenic mutation could be identified. Further in-depth sequencing of our candidate region as well as whole genome exome sequencing are underway to identify the pathogenic mutation(s) in this family and will further improve our understanding of the genetic basis of narcolepsy. 2 Résumé Le sommeil est un processus vital, dont la fonction physiologique est encore inconnue, malgré de nombreuses études chez des sujets humains sains ainsi que dans des modèles animaux. L'étude de patients souffrant de troubles du sommeil peut permettre la découverte de voies biologiques jouant un rôle majeur dans la régulation du sommeil. L'un de ces troubles, la narcolepsie, est une maladie rare mais néanmoins bien définie, caractérisée par une somnolence diurne excessive accompagnée de cataplexies. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Le but du présent travail était d'identifier !e(s) gène(s) ou les polymorphismes constituant des facteurs de risque dans les formes sporadique et familiale de narcolepsie. La narcolepsie sporadique est la maladie possédant la plus forte association avec le complexe majeur d'histocompatibilité humain (HLA) jamais reportée. La fréquence au sein de la population générale de l'haplotype associé HLA-DRB1*1501- DQB1*0602 (15-25%) suggère que ce dernier est nécessaire, mais pas suffisant, pour (e développement de la maladie. Nous avons voulu approfondir la recherche de facteurs génétiques augmentant le risque de la narcolepsie. A cette fin, nous avons entrepris une étude d'association à l'échelle du génome (genome-wide association study, GWAS) parmi 562 sujets narcoleptiques européens (cas) et 702 individus contrôle de même origine ethnique et nous avons trouvé une association avec un variant protecteur près du gène HLA- DQA2. Ce résultat a été répliqué indépendamment dans 370 cas et 495 contrôles, tous hétérozygotes au locus DRB1*1501-DQB1*0602. Une analyse plus fine montre que le polymorphisme identifié est fortement lié aux allèles DRB1*03-DQB1*02 et DRB1*1301-DQB1*0603. Nous notons que seul un cas était porteur d'un haplotype en trans DRB1*1301-DQBr0603. La découverte de cet allele HLA protecteur suggère que la région HLA joue un rôle causal dans la susceptibilité à la narcolepsie. Dix pourcents des cas de narcolepsie sont familiaux. Cependant, le faible nombre de membres affectés rend ces familles inéligibles pour des études de liaison génétique. Nous avons identifié et caractérisé une grande famille espagnole, dont 11 membres sont atteints par la maladie, ce qui représente la plus grande famille narcoleptique rapportée jusqu'à ce jour. A partir de l'ADN de 11 membres atteints et 15 non- atteints, nous avons identifié par étude de liaison une région candidate de 163 kîlobases (kb) sur le chromosome 6, correspondant à un LOD score multipoints de 5.02. Nous avons cherché, sans succès, des mutations pathogéniques dans la séquence codante de deux gènes situés à l'intérieur de ce segment, ainsi que 4 gènes adjacents. Un séquençage plus approfondi de la région ainsi que le séquençage des exons de tout le génome est en cours et doit s'avérer plus fructueux et révéler la ou tes mutation(s) pathogénique(s) dans cette famille, ce qui contribuerait à une meilleure compréhension des causes génétiques de la narcolepsie. 3 Résumé pour un large public Le sommeil est une nécessité vitale, dont le rôle physiologique exact reste inconnu malgré de nombreuses études sur des sujets humains sains ainsi que sur des modèles animaux. C'est pourquoi les troubles du sommeil intéressent les chercheurs, car l'élucidation des mécanismes responsables peut permettre de mieux comprendre le fonctionnement du sommeil normal. La narcolepsie est une maladie du sommeil caractérisée par une somnolence diurne excessive. Les personnes atteintes peuvent s'endormir involontairement à tout moment de la journée, et souffrent également de pertes du tonus musculaire (cataplexie) lors de fortes émotions, par exemple un fou rire. La narcolepsie est une maladie rare, apparaissant dans 1 personne sur 2000. Les connaissances actuelles suggèrent qu'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux en est à l'origine. Nous avons voulu identifier les facteurs génétiques influençant le déclenchement de la maladie, d'abord dans sa forme sporadique, puis dans une famille comptant de nombreux membres atteints. En comparant les variations génétiques de près de 1000 sujets narcoleptiques européens avec ceux de 1200 individus sains, nous avons trouvé chez 30% de ces derniers un variant protecteur, qui diminue de 50 fois le risque de développer la maladie, ce qui constitue le plus puissant facteur génétique protecteur décrit à ce jour. Nous avons ensuite étudié une grande famille espagnole comptant une trentaine de membres, dont 11 sont atteints de narcolepsie. De nouveau, nous avons comparé les variations génétiques des membres atteints avec ceux des membres sains. Nous avons ainsi pu identifier une région dans le génome où se trouverait le(s) gène(s) impliqué(s) dans la maladie dans cette famille, mais n'avons pas encore trouvé le(s) variant(s) exact(s). Une étude plus approfondie devrait permettre de P(les) identifier et ainsi contribuer à l'élucidation des mécanismes menant au développement de la narcolepsie.

Pharmacogenetics of Antiviral Treatment

RESUME - FRANÇAISRésuméDans ce travail de thèse, l'importance de la pharmacogénétique des traitements antiviraux a été évaluée en déterminant, au moyen de trois différentes approches, l'impact de variations génétiques sur la pharmacocinétique de deux traitements antirétroviraux (à savoir l'efavirenz et le lopinavir) ainsi que sur la capacité de pouvoir éliminer le virus de l'hépatite C de façon naturelle ou suite à un traitement médicamenteux.L'influence des variations génétiques sur les taux plasmatiques de l'efavirenz et de ses métabolites primaires a été évaluée par l'analyse d'un seul gène candidat : le cytochrome P450 (CYP) 2A6, impliqué dans une voie métabolique accessoire de l'efavirenz. Cette étude a permis de démontrer que le génotype du CYP2A6 devient cliniquement déterminant en l'absence de fonction du CYP2B6, impliqué dans la voie métabolique principale, et que la perte simultanée des voies métaboliques principales et accessoires entraine une augmen¬tation du risque d'interruption du traitement, soulignant la valeur prédictive du génotypage.L'influence de la génétique sur la clairance du lopinavir a été évaluée par l'analyse à grande échelle de gènes candidats, à savoir les gènes potentiellement impliqués dans l'absorption, le métabolisme, la distribution et l'élimination d'un médicament. Cette étude a permis l'identification de 4 polymorphismes, dans des transporteurs et des enzymes métaboliques, associés à la clairance du lopinavir et expliquant 5% de la variabilité inter¬individuelle de ce phénotype.L'influence de la génétique sur la capacité d'éliminer le virus de l'hépatite C, de façon naturelle ou à la suite d'un traitement, a été évaluée par l'analyse du génome entier. Cette étude a permis l'identification d'un polymorphisme situé à proximité de l'interféron-X3. Quatre variations génétiques potentiellement causales ont ensuite pu être identifiées par reséquencage. Finalement, la contribution nette de ce gène sur l'élimination du virus a pu être évaluée dans une cohorte infectée par une seule et même source, permettant ainsi de contrôler l'effet de la diversité virale, du genre et de la présence de co-infections.Cette thèse a permis de mettre en évidence les diverses méthodes disponibles pour la recherche en pharmacogénétique, ainsi que l'importance du reséquencage pour l'identification de variations génétiques causales.SUMMARY - ENGLISHSummaryIn this thesis work the relevance of pharmacogenetics of antiviral treatment has been assessed by investigating, through three different approaches, the impact of host genetic variation on antiretroviral drug disposition (namely efavirenz and lopinavir) and on natural or treatment-induced clearance of hepatitis C virus.The influence of host genetic variation on efavirenz and its primary metabolite plasma levels was assessed by single candidate gene approach, through comprehensive analysis of cytochrome P450 (CYP) 2A6 - involved in efavirenz accessory metabolic pathway. The study could demonstrate that CYP2A6 genotype became increasingly relevant in the setting of limited CYP2B6 function - involved in efavirenz main metabolic pathway - and that individuals with both main and accessory metabolic pathways impaired were at higher risk for treatment discontinuation, overall emphasizing the predictive power of genotyping.The influence of host genetic variation on lopinavir clearance was assessed by large scale candidate gene approach, through analysis of genes involved in the absorption, distribution, metabolism and elimination. The study identified four genetic variants in drug transporters and metabolizing enzymes that explained 5% of the interindividual variability in lopinavir clearance.The influence of host genetic variation on hepatitis C virus (HCV) natural or treatment- induced clearance was assessed through genome-wide association study approach. This study identified an intergenic polymorphism, part of a linkage disequilibrium block encompassing the interferon-3 gene, as highly associated with treatment-induced and spontaneous HCV clearance. Resequencing and recombinant mapping lead to the identification of four potentially causal genetic variants. Finally, we could assess the net contribution of genetic variants in interferon-3 to clearance by controlling for viral diversity, gender and co-infection status in a single source infected cohort.This thesis highlights the various genetic tools available to pharmacogenetic discovery (candidate gene, pathway or and genome-wide approaches), and the importance of resequencing for mapping of causal variants.

Local adaptation and life history traits evolution in heterogeneous environment : an empirical example in the freshwater snail, Galba truncatula

Abstract: To understand the processes of evolution, biologists are interested in the ability of a population to respond to natural or artificial selection. The amount of genetic variation is often viewed as the main factor allowing a species to answer to selection. Many theories have thus focused on the maintenance of genetic variability. Ecologists and population geneticists have long-suspected that the structure of the environment is connected to the maintenance of diversity. Theorists have shown that diversity can be permanently and stably maintained in temporal and spatial varying environment in certain conditions. Moreover, varying environments have been also theoretically demonstrated to cause the evolution of divergent life history strategies in the different niches constituting the environment. Although there is a huge number of theoretical studies selection and on life history evolution in heterogeneous environments, there is a clear lack of empirical studies. The purpose of this thesis was to. empirically study the evolutionary consequences of a heterogeneous environment in a freshwater snail Galba truncatula. Indeed, G. truncatula lives in two habitat types according the water availability. First, it can be found in streams or ponds which never completely dry out: a permanent habitat. Second, G. truncatula can be found in pools that freeze during winter and dry during summer: a temporary habitat. Using a common garden approach, we empirically demonstrated local adaptation of G. truncatula to temporary and permanent habitats. We used at first a comparison of molecular (FST) vs. quantitative (QST) genetic differentiation between temporary and permanent habitats. To confirm the pattern QST> FST between habitats suggesting local adaptation, we then tested the desiccation resistance of individuals from temporary and permanent habitats. This study confirmed that drought resistance seemed to be the main factor selected between habitats, and life history traits linked to the desiccation resistance were thus found divergent between habitats. However, despite this evidence of selection acting on mean values of traits between habitats, drift was suggested to be the main factor responsible of variation in variances-covariances between populations. At last, we found life history traits variation of individuals in a heterogeneous environment varying in parasite prevalence. This thesis empirically demonstrated the importance of heterogeneous environments in local adaptation and life history evolution and suggested that more experimental studies are needed to investigate this topic. Résumé: Les biologistes se sont depuis toujours intéressés en l'aptitude d'une population à répondre à la sélection naturelle. Cette réponse dépend de la quantité de variabilité génétique présente dans cette population. Plus particulièrement, les théoriciens se sont penchés sur la question du maintient de la variabilité génétique au sein d'environnements hétérogènes. Ils ont alors démontré que, sous certaines conditions, la diversité génétique peut se maintenir de manière stable et permanente dans des environnements variant au niveau spatial et temporel. De plus, ces environments variables ont été démontrés comme responsable de divergence de traits d'histoire de vie au sein des différentes niches constituant l'environnement. Cependant, malgré ce nombre important d'études théoriques portant sur la sélection et l'évolution des traits d'histoire de vie en environnement hétérogène, les études empiriques sont plus rares. Le but de cette thèse était donc d'étudier les conséquences évolutives d'un environnement hétérogène chez un esgarcot d'eau douce Galba truncatula. En effet, G. truncatula est trouvé dans deux types d'habitats qui diffèrent par leur niveau d'eau. Le premier, l'habitat temporaire, est constitué de flaques d'eau qui peuvent s'assécher pendant l'été et geler pendant l'hiver. Le second, l'habitat permanent, correspond à des marres ou à des ruisseaux qui ont un niveau d'eau constant durant toute l'année. Utilisant une approche expérimentale de type "jardin commun", nous avons démontré l'adaptation locale des individus à leur type d'habitat, permanent ou temporaire. Nous avons utilisé l'approche Fsr/QsT qui compare la différentiation génétique moléculaire avec la différentiation génétique quantitative entre les 2 habitats. Le phénomène d'adapation locale démontré par QsT > FsT, a été testé experimentalement en mesurant la résistance à la dessiccation d'individus d'habitat temporaire et permanent. Cette étude confirma que la résistance à la sécheresse a été sélectionné entre habitats et que les traits responsables de cette resistance sont différents entre habitats. Cependant si la sélection agit sur la valeur moyenne des traits entre habitats, la dérive génétique semble être le responsable majeur de la différence de variances-covariances entre populations. Pour finir, une variation de traits d'histoire de vie a été trouvée au sein d'un environnement hétérogène constitué de populations variants au niveau de leur taux de parasitisme. Pour conclure, cette thèse a donc démontré l'importance d'un environnement hétérogène sur l'adaptation locale et l'évolution des traits d'histoire de vie et suggère que plus d'études empiriques sur le sujet sont nécessaires.

Modélisation par automate cellulaire des phénomènes diagénétiques des plateformes carbonatées : calibration et paramétrage à partir de deux cas d'études : l'Urgonien du Vercors (Crétacé inférieur, SE France) et les Calcaires Gris du Mont Compomolon (Lias, NE Italie)

Une fois déposé, un sédiment est affecté au cours de son enfouissement par un ensemble de processus, regroupé sous le terme diagenèse, le transformant parfois légèrement ou bien suffisamment pour le rendre méconnaissable. Ces modifications ont des conséquences sur les propriétés pétrophysiques qui peuvent être positives ou négatives, c'est-à-dire les améliorer ou bien les détériorer. Une voie alternative de représentation numérique des processus, affranchie de l'utilisation des réactions physico-chimiques, a été adoptée et développée en mimant le déplacement du ou des fluides diagénétiques. Cette méthode s'appuie sur le principe d'un automate cellulaire et permet de simplifier les phénomènes sans sacrifier le résultat et permet de représenter les phénomènes diagénétiques à une échelle fine. Les paramètres sont essentiellement numériques ou mathématiques et nécessitent d'être mieux compris et renseignés à partir de données réelles issues d'études d'affleurements et du travail analytique effectué. La représentation des phénomènes de dolomitisation de faible profondeur suivie d'une phase de dédolomitisation a été dans un premier temps effectuée. Le secteur concerne une portion de la série carbonatée de l'Urgonien (Barrémien-Aptien), localisée dans le massif du Vercors en France. Ce travail a été réalisé à l'échelle de la section afin de reproduire les géométries complexes associées aux phénomènes diagénétiques et de respecter les proportions mesurées en dolomite. De plus, la dolomitisation a été simulée selon trois modèles d'écoulement. En effet, la dédolomitisation étant omniprésente, plusieurs hypothèses sur le mécanisme de dolomitisation ont été énoncées et testées. Plusieurs phases de dolomitisation per ascensum ont été également simulées sur des séries du Lias appartenant aux formations du groupe des Calcaire Gris, localisées au nord-est de l'Italie. Ces fluides diagénétiques empruntent le réseau de fracturation comme vecteur et affectent préférentiellement les lithologies les plus micritisées. Cette étude a permis de mettre en évidence la propagation des phénomènes à l'échelle de l'affleurement. - Once deposited, sediment is affected by diagenetic processes during their burial history. These diagenetic processes are able to affect the petrophysical properties of the sedimentary rocks and also improve as such their reservoir capacity. The modelling of diagenetic processes in carbonate reservoirs is still a challenge as far as neither stochastic nor physicochemical simulations can correctly reproduce the complexity of features and the reservoir heterogeneity generated by these processes. An alternative way to reach this objective deals with process-like methods, which simplify the algorithms while preserving all geological concepts in the modelling process. The aim of the methodology is to conceive a consistent and realistic 3D model of diagenetic overprints on initial facies resulting in petrophysical properties at a reservoir scale. The principle of the method used here is related to a lattice gas automata used to mimic diagenetic fluid flows and to reproduce the diagenetic effects through the evolution of mineralogical composition and petrophysical properties. This method developed in a research group is well adapted to handle dolomite reservoirs through the propagation of dolomitising fluids and has been applied on two case studies. The first study concerns a mid-Cretaceous rudist and granular platform of carbonate succession (Urgonian Fm., Les Gorges du Nan, Vercors, SE France), in which several main diagenetic stages have been identified. The modelling in 2D is focused on dolomitisation followed by a dédolomitisation stage. For the second study, data collected from outcrops on the Venetian platform (Lias, Mont Compomolon NE Italy), in which several diagenetic stages have been identified. The main one is related to per ascensum dolomitisation along fractures. In both examples, the evolution of the effects of the mimetic diagenetic fluid on mineralogical composition can be followed through space and numerical time and help to understand the heterogeneity in reservoir properties. Carbonates, dolomitisation, dédolomitisation, process-like modelling, lattice gas automata, random walk, memory effect.

Identification of the pathological alterations underlying respiratory failure in myotonic dystrophy transgenic mice

AbstractMyotonic dystrophy type 1 (DM1), also known as Steinert's disease, is an inherited autosomal dominant disease. DM1 is characterized by myotonia, muscular weakness and atrophy, but it has a multisystemic phenotype. The genetic basis of the disease is the abnormal expansion of CTG repeats in the 3' untranslated region of the DM protein kinase (DMPK) gene on chromosome 19. The size of the expansion correlates to the severity of the disease and the age of onset.Respiratory problems have long been recognized to be a major feature of the disease and are the main factor contributing to mortality ; however the mechanisms are only partly known. The aim of our study is to investigate whether respiratory failure results only from the involvement of the dystrophic process at the level of the respiratory muscles or comes also from abnormalities in the neuronal network that generates and controls the respiratory rhythm. The generation of valid transgenic mice displaying the human DM1 phenotype by the group of Dr. Gourdon provided us a useful tool to analyze the brain stem respiratory neurons, spinal phrenic motoneurons and phrenic nerves. We examined therefore these structures in transgenic mice carrying 350-500 CTGs and displaying a mild form of the disease (DM1 mice). The morphological and morphometric analysis of diaphragm muscle sections revealed a denervation of the end-plates (EPs), characterized by a decrease in size and shape complexity of EPs and a reduction in the density of acetylcholine receptors (AChRs). Also a strong and significant reduction in the number of phrenic unmyelinated fibers was detected, but not in the myelinated fibers. In addition, no pathological changes were detected in the cervical motoneurons and medullary respiratory centers (Panaite et al., 2008). These results suggest that the breathing rhythm is probably not affected in mice expressing a mild form of DM1, but rather the transmission of action potentials at the level of diaphragm NMJs is deficient.Because size of the mutation increases over generations, new transgenic mice were obtained from the mice with 350-500 CTGs, resulting from a large increase of CTG repeat in successive generations, these mice carry more than 1300 CTGs (DMSXL) and display a severe DM1 phenotype (Gomes-Pereira et al., 2007). Before we study the mechanism underlying the respiratory failure in DMSXL mice, we analyzed the peripheral nervous system (PNS) in these mice by electrophysiological, histological and morphometric methods. Our results provide strong evidence that DMSXL mice have motor neuropathy (Panaite et al., 2010, submitted). Therefore the DMSXL mice expressing severe DM1 features represent for us a good tool to investigate, in the future, the physiological, structural and molecular alterations underlying respiratory failure in DM1. Understanding the mechanism of respiratory deficiency will help to better target the therapy of these problems in DM1 patients. In addition our results may, in the future, orientate pharmaceutical and clinical research towards possible development of therapy against respiratory deficits associated with the DM1.RésuméLa dystrophic myotonique type 1 (DM1), aussi dénommée maladie de Steinert, est une maladie héréditaire autosomique dominante. Elle est caractérisée par une myotonie, une faiblesse musculaire avec atrophie et se manifeste aussi par un phénotype multisystémique. La base génétique de la maladie est une expansion anormale de répétitions CTG dans une région non traduite en 3' du gène de la DM protéine kinase (DMPK) sur le chromosome 19. La taille de l'expansion est corrélée avec la sévérité et l'âge d'apparition de DM1.Bien que les problèmes respiratoires soient reconnus depuis longtemps comme une complication de la maladie et soient le principal facteur contribuant à la mortalité, les mécanismes en sont partiellement connus. Le but de notre étude est d'examiner si l'insuffisance respiratoire de la DM1 est dû au processus dystrophique au niveau des muscles respiratoires ou si elle est entraînée aussi par des anomalies dans le réseau neuronal qui génère et contrôle le rythme respiratoire. La production par le groupe du Dr. Gourdon de souris transgéniques de DM1, manifestant le phénotype de DM1 humaine, nous a fourni un outil pour analyser les nerfs phréniques, les neurones des centres respiratoires du tronc cérébral et les motoneurones phréniques. Par conséquence, nous avons examiné ces structures chez des souris transgéniques portant 350-500 CTG et affichant une forme légère de la maladie (souris DM1). L'analyse morphologique et morphométrique des sections du diaphragme a révélé une dénervation des plaques motrices et une diminution de la taille et de la complexité de la membrane postsynaptîque, ainsi qu'une réduction de la densité des récepteurs à l'acétylcholine. Nous avons aussi détecté une réduction significative du nombre de fibres nerveuses non myélinisées mais pas des fibres myélinisées. Par ailleurs, aucun changement pathologique n'a été détecté pour les neurones moteurs médullaires cervicaux et centres respiratoires du tronc cérébral (Panaite et al., 2008). Ces résultats suggèrent que le iythme respiratoire n'est probablement pas affecté chez les souris manifestant une forme légère du DM1, mais plutôt que la transmission des potentiels d'action au niveau des plaques motrices du diaphragme est déficiente.Comme la taille du mutation augmente au fil des générations, de nouvelles souris transgéniques ont été générés par le groupe Gourdon; ces souris ont plus de 1300 CTG (DMSXL) et manifestent un phénotype sévère du DM1 (Gomes-Pereira et al., 2007). Avant d'étudier le mécanisme sous-jacent de l'insuffisance respiratoire chez les souris DMSXL, nous avons analysé le système nerveux périphérique chez ces souris par des méthodes électrophysiologiques, histologiques et morphométriques. Nos résultats fournissent des preuves solides que les souris DMSXL manifestent une neuropathie motrice (Panaite et al., 2010, soumis). Par conséquent, les souris DMSXL représentent pour nous un bon outil pour étudier, à l'avenir, les modifications physiologiques, morphologiques et moléculaires qui sous-tendent l'insuffisance respiratoire du DM1. La connaissance du mécanisme de déficience respiratoire en DM1 aidera à mieux cibler le traitement de ces problèmes aux patients. De plus, nos résultats pourront, à l'avenir, orienter la recherche pharmaceutique et clinique vers le développement de thérapie contre le déficit respiratoire associé à DM1.

Robustness of Drosophila early embryo and wing imaginal disc development

Within a developing organism, cells require information on where they are in order to differentiate into the correct cell-type. Pattern formation is the process by which cells acquire and process positional cues and thus determine their fate. This can be achieved by the production and release of a diffusible signaling molecule, called a morphogen, which forms a concentration gradient: exposure to different morphogen levels leads to the activation of specific signaling pathways. Thus, in response to the morphogen gradient, cells start to express different sets of genes, forming domains characterized by a unique combination of differentially expressed genes. As a result, a pattern of cell fates and specification emerges.Though morphogens have been known for decades, it is not yet clear how these gradients form and are interpreted in order to yield highly robust patterns of gene expression. During my PhD thesis, I investigated the properties of Bicoid (Bcd) and Decapentaplegic (Dpp), two morphogens involved in the patterning of the anterior-posterior axis of Drosophila embryo and wing primordium, respectively. In particular, I have been interested in understanding how the pattern proportions are maintained across embryos of different sizes or within a growing tissue. This property is commonly referred to as scaling and is essential for yielding functional organs or organisms. In order to tackle these questions, I analysed fluorescence images showing the pattern of gene expression domains in the early embryo and wing imaginal disc. After characterizing the extent of these domains in a quantitative and systematic manner, I introduced and applied a new scaling measure in order to assess how well proportions are maintained. I found that scaling emerged as a universal property both in early embryos (at least far away from the Bcd source) and in wing imaginal discs (across different developmental stages). Since we were also interested in understanding the mechanisms underlying scaling and how it is transmitted from the morphogen to the target genes down in the signaling cascade, I also quantified scaling in mutant flies where this property could be disrupted. While scaling is largely conserved in embryos with altered bcd dosage, my modeling suggests that Bcd trapping by the nuclei as well as pre-steady state decoding of the morphogen gradient are essential to ensure precise and scaled patterning of the Bcd signaling cascade. In the wing imaginal disc, it appears that as the disc grows, the Dpp response expands and scales with the tissue size. Interestingly, scaling is not perfect at all positions in the field. The scaling of the target gene domains is best where they have a function; Spalt, for example, scales best at the position in the anterior compartment where it helps to form one of the anterior veins of the wing. Analysis of mutants for pentagone, a transcriptional target of Dpp that encodes a secreted feedback regulator of the pathway, indicates that Pentagone plays a key role in scaling the Dpp gradient activity.

Targeted sequence capture and Ultra High Throughput sequencing for gene discovery in inherited diseases

L'introduction des technologies de séquençage de nouvelle génération est en vue de révolutionner la médecine moderne. L'impact de ces nouveaux outils a déjà contribué à la découverte de nouveaux gènes et de voies cellulaires impliqués dans la pathologie de maladies génétiques rares ou communes. En revanche, l'énorme quantité de données générées par ces systèmes ainsi que la complexité des analyses bioinformatiques nécessaires, engendre un goulet d'étranglement pour résoudre les cas les plus difficiles. L'objectif de cette thèse a été d'identifier les causes génétiques de deux maladies héréditaires utilisant ces nouvelles techniques de séquençage, couplées à des technologies d'enrichissement de gènes. Dans ce cadre, nous avons développé notre propre méthode de travail (pipeline) pour l'alignement des fragments de séquence (reads). Suite à l'identification de gènes, nous avons réalisé une analyse fonctionnelle pour élucider leur rôle dans la maladie. Dans un premier temps, nous avons étudié et identifié des mutations impliquées dans une forme récessive de la rétinite pigmentaire qui est à ce jour la dégénérescence rétinienne héréditaire la plus fréquente. En particulier, nous avons constaté que des mutations faux-sens dans le gène FAM161A étaient la cause de la rétinite pigmentaire préalablement associé avec le locus RP28. De plus, nous avons démontré que ce gène avait des fonctions au niveau du cil du photorécepteur, complétant le large spectre des cilliopathies rétiniennes héréditaires. Dans un second temps, nous avons exploré la possibilité qu'un syndrome, relativement fréquent en pédiatrie de fièvre récurrente, appelé PFAPA (acronyme de fièvre périodique avec adénite stomatite, pharyngite et cervical aphteuse) puisse avoir une origine génétique. L'étiologie de cette maladie n'étant pas claire, nous avons tenté d'identifier le spectre génétique de patients PFAPA. Comme nous n'avons pas pu mettre à jour un nouveau gène unique muté et responsable de la maladie chez tous les individus dépistés, il semblerait qu'un modèle génétique plus complexe suggérant l'implication de plusieurs gènes dans la pathologie ait été identifié chez les patients touchés. Ces gènes seraient notamment impliqués dans des processus liés à l'inflammation ce qui élargirait l'impact de ces études à d'autres maladies auto-inflammatoires.

Linking genetic and species diversities in a community of freshwater gastropods

Summary Biodiversity is usually studied through species or genetic diversities. To date, these two levels of diversity have remained the independent .fields of investigations of community ecologists and population geneticists. However, recent joint analyses of species and genetic diversities have suggested that common processes may underlie the two levels. Positive correlations between species diversity and genetic diversity may arise when the effects of drift and migration overwhelm selective effects. The first goal of this thesis was to make a joint investigation of the patterns of species and genetic diversity in a community of freshwater gastropods living in a floodplain habitat. The second goal was to determine, as far as possible, the relative influences of the processes underlying the patterns observed at each level. In chapter 2 we investigate the relative influences of different evolutionary forces in shaping the genetic structure of Radix balthica populations. Results revealed that the structure inferred using quantitative traits was lower or equal to the one inferred using neutral molecular markers. Consequently, the pattern of structure observed could be only due to random drift, possibly to uniform selection, but definitely not to selection for local optima. In chapter 3, we analyze the temporal variation of species and genetic diversities in five localities. An extended period of drought occurred at the end of the study period leading to decay of both species and genetic diversities. This parallel loss of diversity following a natural perturbation highlighted the role sometimes predominant of random drift over selection on patterns of biodiversity in a floodplain habitat. In chapter 4, we compare the spatial genetic structures of two sympatric species: Radix balthica and Planorbis carinatus. We found that R. balthica populations are weakly structured and have moderate to high values of gene diversity. In contrast, P. carinatus populations are highly structured and poorly diverse. Then we measured correlations between various indices of species and genetic diversity using genetic data .from the two species. We found only one significant correlation: between species richness and gene diversity of P. carinatus. This result highlights the .need to use genetic date from more than one species to infer correlations between species and genetic diversities. Overall, this thesis provided new insights into the common processes underlying patterns of species and genetic diversity. Résumé La biodiversité est généralement étudiée au niveau de la diversité génétique ou spécifique. Ces deux niveaux sont restés jusqu'à maintenant les domaines d'investigation séparés des généticiens des populations et des écologistes des communautés. Cependant, des analyses conjointes des diversités génétique et spécifique ont récemment suggéré que des processus similaires pouvaient influencer ces deux niveaux. Des corrélations positives entre les diversités génétique et spécifique pourraient être dues aux effets de migration et de dérive qui dominent les effets sélectifs. Le premier but de cette thèse était de faire une étude conjointe des diversités génétique et spécifique dans une communauté de gastéropodes d'eau douce. Le second objectif était de déterminer les influences relatives des différents processus liés à chaque niveau de diversité. Dans le chapitre 2 nous cherchons à déterminer quelles forces évolutives influencent la structure génétique de quatre populations de Radix balthica. La structure mesurée sur des traits quantitatifs s'est révélée être plus faible ou égale à celle mesurée avec des marqueurs moléculaires neutres. La structure observée pourrait ainsi être due uniquement à la dérive génétique, potentiellement à la sélection uniforme, mais en aucun cas à la sélection locale pour différents optima. Dans le chapitre 3 nous analysons la variation temporelle des diversités génétique et spécifique dans cinq localités. Une récente période de sécheresse a causé une diminution parallèle des deux niveaux de diversité. Cette perturbation à mis en évidence le rôle parfois prépondérant de la dérive par rapport à celui de la sélection dans le déterminisme de la biodiversité dans un écosytème alluvial. Dans le chapitre 4, nous comparons la structure génétique spatiale de deux espèces vivant en sympatrie : Radix balthica et Planorbis carinatus. Les populations de R. balthica sont peu structurées et présentent un niveau de diversité relativement élevé alors que celles de P. carinatus sont fortement structurées et peu diversifiées. Nous avons ensuite mesuré différentes corrélations entre les diversités génétique et spécifique, mais la seule relation significative a été trouvée entre la richesse spécifique et la diversité génétique de P. carinatus. Ainsi, cette thèse a permis de découvrir de nouveaux aspects des processus qui influencent en parallèle la diversité aux niveaux génétique et spécifique.

Division of labor in insect societies : genetic components and physiological regulation

The shift from solitary to social organisms constitutes one of the major transitions in evolution. The highest level of sociality is found in social insects (ants, termites and some species of bees and wasps). Division of labor is central to the organization of insect societies and is thought to be at the root of their ecological success. There are two main levels of division of labor in social insect colonies. The first relates to reproduction and involves the coexistence of queen and worker castes: while reproduction is usually monopolized by one or several queens, functionally sterile workers perform all the tasks to maintain the colony, such as nest building, foraging or brood care. The second level of division of labor, relating to such non-reproductive duties, is characterized by the performance of different tasks or roles by different groups of workers. This PhD aims to better understand the mechanisms underlying division of labor in insect societies, by investigating how genes and physiology influence caste determination and worker behavior in ants. In the first axis of this PhD, we studied the nature of genetic effects on division of labor. We used the Argentine ant Linepithema humile to conduct controlled crosses in the laboratory, which revealed the existence of non-additive genetic effects, such as parent-of-origin and genetic compatibility effects, on caste determination and worker behavior. In the second axis, we focused on the physiological regulation of division of labor. Using Pogonomyrmex seed- harvester ants, we performed experimental manipulation of hibernation, hormonal treatments, gene expression analyses and protein quantification to identify the physiological pathways regulating maternal effects on caste determination. Finally, comparing gene expression between nurses and foragers allowed us to reveal the association between vitellogenin and worker behavior in Pogonomyrmex ants. This PhD provides important insights into the role of genes and physiology in the regulation of division of labor in social insect colonies, helping to better understand the organization, evolution and ecological success of insect societies. - L'une des principales transitions évolutives est le passage de la vie solitaire à la vie sociale. La socialité atteint son paroxysme chez les insectes sociaux que sont les fourmis, les termites et certaines espèces d'abeilles et de guêpes. La division du travail est la clé de voûte de l'organisation de ces sociétés d'insectes et la raison principale de leur succès écologique. La division du travail s'effectue à deux niveaux dans les colonies d'insectes sociaux. Le premier niveau concerne la reproduction et implique la coexistence de deux castes : les reines et les ouvrières. Tandis que la reproduction est le plus souvent monopolisée par une ou plusieurs reines, les ouvrières stériles effectuent les tâches nécessaires au bon fonctionnement de la colonie, telles que la construction du nid, la recherche de nourriture ou le soin au couvain. Le second niveau de division du travail, qui concerne les tâches autres que la reproduction, implique la réalisation de différents travaux par différents groupes d'ouvrières. Le but de ce doctorat est de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents de la division du travail dans les sociétés d'insectes en étudiant comment les gènes et la physiologie influencent la détermination de la caste et le comportement des ouvrières chez les fourmis. Dans le premier axe de ce doctorat, nous avons étudié la nature des influences génétiques sur la division du travail. Nous avons utilisé la fourmi d'Argentine, Linepithema humile, pour effectuer des croisements contrôlés en laboratoire. Cette méthode nous a permis de révéler l'existence d'influences génétiques non additives, telles que des influences dépendantes de l'origine parentale ou des effets de compatibilité génétique, sur la détermination de la caste et le comportement des ouvrières. Dans le second axe, nous nous sommes intéressés à la régulation physiologique de la division du travail. Nous avons utilisé des fourmis moissonneuses du genre Pogonomyrmex pour effectuer des hibernations artificieHes, des traitements hormonaux, des analyses d'expression de gènes et des mesures de vitellogénine, ce qui nous a permis d'identifier les mécanismes physiologiques régulant les effets maternels sur la détermination de la caste. Enfin, la comparaison d'expression de gènes entre nourrices et fourrageuses suggère un rôle de la vitellogénine dans la régulation du comportement des ouvrières chez les fourmis moissonneuses. En détaillant les influences des gènes et de la physiologie dans la régulation de la division du travail dans les colonies d'insectes sociaux, ce doctorat fournit d'importantes informations permettant de mieux comprendre l'organisation, l'évolution et le succès écologique des sociétés d'insectes.

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

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