Evolutionary genetics of arbuscular mycorrhizal fungi - causes and consequences of multiple genomes in Glomus intraradices

Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment des symbioses avec la plupart des plantes terrestres. Les CEA influencent la croissance des plantes et la biodiversité. Ils sont supposés avoir évolué de manière asexuée pendant au moins 400 millions d'années et aucune diversification morphologique majeure n'a été constatée. Pour ces raisons, les CEA sont considérés comme d'anciens asexués. Très peu d'espèces sont connues actuellement. Les individus de ces champignons contiennent des noyaux génétiquement différents dans un cytoplasme continu. La signification évolutive, la variabilité et la maintenance des génomes multiples au sein des individus sont inconnues. Ce travail a démontré qu'une population du CEA Glomus intraradices est génétiquement très variable. Nous avons conclu que les plantes hôtes plutôt que la différenciation géographique devraient être responsables de cette grande diversité. Puis nous avons cherché l'existence de recombinaison entre génotypes dans une population. Nous avons détecté un groupe recombinant au sein de la population, ce qui met en doute l'état d'anciens asexués des CEA. Nous avons également détecté l'occurrence de fusions d'hyphes et l'échange de noyaux entre isolats génétiquement différents. La descendance hybride issue de cet échange était viable et distincte phénotypiquement des isolats parentaux. En résumé, ce travail identifie des événements cruciaux dans le cycle de vie des CEA qui ont le potentiel d'influencer l'évolution de génomes multiples. L'étude des conséquences de ces événements sur les interactions avec les plantes hôtes pourrait éclaircir significativement la compréhension de la symbiose entre plantes et CEA. Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are important symbionts of most land plants. AMF influence plant growth and biodiversity. Very few extant species are described. AMF are thought to have evolved asexually for at least 400 million years and no major morphological diversification has occurred. Due to these reasons, they were termed `ancient asexuals'. Fungal individuals harbour genetically different nuclei in a continuous cytoplasm. The variability, maintenance and evolutionary significance of multiple genomes within individuals are unknown. This work showed that a population of the AMF Glomus intraradices harbours very high genetic diversity. We concluded that host plants rather than geographic differentiation were responsible for this diversity. Furthermore, we investigated whether recombination occurred among genotypes of a G. intraradices population. The identification of a core group of recombining genotypes in the population refutes the assumption of ancient asexuality in AMF. We found that genetically different isolates can form hyphal fusions and exchange nuclei. The hybrid progeny produced by the exchange was viable and phenotypically distinct from the parental isolates. Taken together, this work provided evidence for key events in the AMF life cycle, that influence the evolution of multiple genomes. Studying the consequences of these events on the interaction with host plants may significantly further the understanding of the AMF-plant symbiosis.

Evidence for the evolution of multiple genomes in arbuscular mycorrhizal fungi.

Ancient asexuals directly contradict the evolutionary theories that explain why organisms should evolve a sexual life history. The mutualistic, arbuscular mycorrhizal fungi are thought to have been asexual for approximately 400 million years. In the absence of sex, highly divergent descendants of formerly allelic nucleotide sequences are thought to evolve in a genome. In mycorrhizal fungi, where individual offspring receive hundreds of nuclei from the parent, it has been hypothesized that a population of genetically different nuclei should evolve within one individual. Here we use DNA-DNA fluorescent in situ hybridization to show that genetically different nuclei co-exist in individual arbuscular mycorrhizal fungi. We also show that the population genetics techniques used in other organisms are unsuitable for detecting recombination because the assumptions and underlying processes do not fit the fungal genomic structure shown here. Instead we used a phylogenetic approach to show that the within-individual genetic variation that occurs in arbuscular mycorrhizal fungi probably evolved through accumulation of mutations in an essentially clonal genome, with some infrequent recombination events. We conclude that mycorrhizal fungi have evolved to be multi-genomic.

Methods for integration site distribution analyses in animal cell genomes.

The question of where retroviral DNA becomes integrated in chromosomes is important for understanding (i) the mechanisms of viral growth, (ii) devising new anti-retroviral therapy, (iii) understanding how genomes evolve, and (iv) developing safer methods for gene therapy. With the completion of genome sequences for many organisms, it has become possible to study integration targeting by cloning and sequencing large numbers of host-virus DNA junctions, then mapping the host DNA segments back onto the genomic sequence. This allows statistical analysis of the distribution of integration sites relative to the myriad types of genomic features that are also being mapped onto the sequence scaffold. Here we present methods for recovering and analyzing integration site sequences.

Database construction and Peptide identification strategies for proteogenomic studies on sequenced genomes.

Since the advent of high-throughput DNA sequencing technologies, the ever-increasing rate at which genomes have been published has generated new challenges notably at the level of genome annotation. Even if gene predictors and annotation softwares are more and more efficient, the ultimate validation is still in the observation of predicted gene product( s). Mass-spectrometry based proteomics provides the necessary high throughput technology to show evidences of protein presence and, from the identified sequences, confirmation or invalidation of predicted annotations. We review here different strategies used to perform a MS-based proteogenomics experiment with a bottom-up approach. We start from the strengths and weaknesses of the different database construction strategies, based on different genomic information (whole genome, ORF, cDNA, EST or RNA-Seq data), which are then used for matching mass spectra to peptides and proteins. We also review the important points to be considered for a correct statistical assessment of the peptide identifications. Finally, we provide references for tools used to map and visualize the peptide identifications back to the original genomic information.

Comparison of human chromosome 21 conserved nongenic sequences (CNGs) with the mouse and dog genomes shows that their selective constraint is independent of their genic environment.

The analysis of conservation between the human and mouse genomes resulted in the identification of a large number of conserved nongenic sequences (CNGs). The functional significance of this nongenic conservation remains unknown, however. The availability of the sequence of a third mammalian genome, the dog, allows for a large-scale analysis of evolutionary attributes of CNGs in mammals. We have aligned 1638 previously identified CNGs and 976 conserved exons (CODs) from human chromosome 21 (Hsa21) with their orthologous sequences in mouse and dog. Attributes of selective constraint, such as sequence conservation, clustering, and direction of substitutions were compared between CNGs and CODs, showing a clear distinction between the two classes. We subsequently performed a chromosome-wide analysis of CNGs by correlating selective constraint metrics with their position on the chromosome and relative to their distance from genes. We found that CNGs appear to be randomly arranged in intergenic regions, with no bias to be closer or farther from genes. Moreover, conservation and clustering of substitutions of CNGs appear to be completely independent of their distance from genes. These results suggest that the majority of CNGs are not typical of previously described regulatory elements in terms of their location. We propose models for a global role of CNGs in genome function and regulation, through long-distance cis or trans chromosomal interactions.

Sequencing primate genomes: what have we learned?

We summarize the progress in whole-genome sequencing and analyses of primate genomes. These emerging genome datasets have broadened our understanding of primate genome evolution revealing unexpected and complex patterns of evolutionary change. This includes the characterization of genome structural variation, episodic changes in the repeat landscape, differences in gene expression, new models regarding speciation, and the ephemeral nature of the recombination landscape. The functional characterization of genomic differences important in primate speciation and adaptation remains a significant challenge. Limited access to biological materials, the lack of detailed phenotypic data and the endangered status of many critical primate species have significantly attenuated research into the genetic basis of primate evolution. Next-generation sequencing technologies promise to greatly expand the number of available primate genome sequences; however, such draft genome sequences will likely miss critical genetic differences within complex genomic regions unless dedicated efforts are put forward to understand the full spectrum of genetic variation.

Patterns of positive selection in seven ant genomes.

The evolution of ants is marked by remarkable adaptations that allowed the development of very complex social systems. To identify how ant-specific adaptations are associated with patterns of molecular evolution, we searched for signs of positive selection on amino-acid changes in proteins. We identified 24 functional categories of genes which were enriched for positively selected genes in the ant lineage. We also reanalyzed genome-wide data sets in bees and flies with the same methodology to check whether positive selection was specific to ants or also present in other insects. Notably, genes implicated in immunity were enriched for positively selected genes in the three lineages, ruling out the hypothesis that the evolution of hygienic behaviors in social insects caused a major relaxation of selective pressure on immune genes. Our scan also indicated that genes implicated in neurogenesis and olfaction started to undergo increased positive selection before the evolution of sociality in Hymenoptera. Finally, the comparison between these three lineages allowed us to pinpoint molecular evolution patterns that were specific to the ant lineage. In particular, there was ant-specific recurrent positive selection on genes with mitochondrial functions, suggesting that mitochondrial activity was improved during the evolution of this lineage. This might have been an important step toward the evolution of extreme lifespan that is a hallmark of ants.

Bioinformatic study of selection in animal genomes

Les gènes orthologues divergent sur plusieurs aspects durant l'évolution. Après une revue de la littérature cherchant à montrer de la divergence entre les orthologues de l'humain et de la souris, j'ai souligné les différentes causes de cette divergence. En comparant les gènes qui divergent en fonction, je n'ai pas trouvé de lien avec la divergence des séquences, pour cette raison je me suis penché sur l'étude de l'expression. Notamment, j'ai étudié le niveau, la spécificité ainsi que la présence/absence d'expression des orthologues humain-souris liés aux maladies Mendéliennes. Malgré les similarités trouvées entre l'humain et la souris, j'ai détecté une différence d'expression spécifique à une des deux espèces liée a un phénotype précis (gène essentiel/non-essentiel). Cela m'a permis de conclure que la différence sur le plan phénotypique entre l'humain et la souris est mieux expliquée par les patrons d'expression plutôt que le niveau d'expression ou la sélection. J'ai été également intéressé par l'évolution des séquences d'ADN codantes pour des protéines, en particulier sur le rôle de la sélection. J'ai commencé par une étude sur la fiabilité de détection de la sélection positive en comparant des séquences divergentes. J'ai trouvé, en utilisant le model de branche-site que la sélection peut être détectée sur des séquences qui ont divergé il y a plus de 500 millions d'années. J'ai analysé le biais de GC entres les séquences sans trouver une influence sur l'estimation de la sélection positive. Finalement, Je crois que ce travail est une première étape dans l'établissement d'un lien entre la sélection et les patrons d'expression des gènes chez les vertébrés.

The non-LTR retrotransposons in Ciona intestinalis: new insights into the evolution of chordate genomes

Background: Non-long terminal repeat (non-LTR) retrotransposons have contributed to shaping the structure and function of genomes. In silico and experimental approaches have been used to identify the non-LTR elements of the urochordate Ciona intestinalis. Knowledge of the types and abundance of non-LTR elements in urochordates is a key step in understanding their contribution to the structure and function of vertebrate genomes. Results: Consensus elements phylogenetically related to the I, LINE1, LINE2, LOA and R2 elements of the 14 eukaryotic non-LTR clades are described from C. intestinalis. The ascidian elements showed conservation of both the reverse transcriptase coding sequence and the overall structural organization seen in each clade. The apurinic/apyrimidinic endonuclease and nucleic-acid-binding domains encoded upstream of the reverse transcriptase, and the RNase H and the restriction enzyme-like endonuclease motifs encoded downstream of the reverse transcriptase were identified in the corresponding Ciona families. Conclusions: The genome of C. intestinalis harbors representatives of at least five clades of non-LTR retrotransposons. The copy number per haploid genome of each element is low, less than 100, far below the values reported for vertebrate counterparts but within the range for protostomes. Genomic and sequence analysis shows that the ascidian non-LTR elements are unmethylated and flanked by genomic segments with a gene density lower than average for the genome. The analysis provides valuable data for understanding the evolution of early chordate genomes and enlarges the view on the distribution of the non-LTR retrotransposons in eukaryotes.

Comparative genomic analysis of the odorant-binding protein family in 12 Drosophila genomes: purifying selection and birth-and-death evolution

Background: Chemoreception is a widespread mechanism that is involved in critical biologic processes, including individual and social behavior. The insect peripheral olfactory system comprises three major multigene families: the olfactory receptor (Or), the gustatory receptor (Gr), and the odorant-binding protein (OBP) families. Members of the latter family establish the first contact with the odorants, and thus constitute the first step in the chemosensory transduction pathway.Results: Comparative analysis of the OBP family in 12 Drosophila genomes allowed the identification of 595 genes that encode putative functional and nonfunctional members in extant species, with 43 gene gains and 28 gene losses (15 deletions and 13 pseudogenization events). The evolution of this family shows tandem gene duplication events, progressive divergence in DNA and amino acid sequence, and prevalence of pseudogenization events in external branches of the phylogenetic tree. We observed that the OBP arrangement in clusters is maintained across the Drosophila species and that purifying selection governs the evolution of the family; nevertheless, OBP genes differ in their functional constraints levels. Finally, we detect that the OBP repertoire evolves more rapidly in the specialist lineages of the Drosophila melanogaster group (D. sechellia and D. erecta) than in their closest generalists.Conclusion: Overall, the evolution of the OBP multigene family is consistent with the birth-and-death model. We also found that members of this family exhibit different functional constraints, which is indicative of some functional divergence, and that they might be involved in some of the specialization processes that occurred through the diversification of the Drosophila genus.

Subgroup-specific structural variation across 1,000 medulloblastoma genomes.

Medulloblastoma, the most common malignant paediatric brain tumour, is currently treated with nonspecific cytotoxic therapies including surgery, whole-brain radiation, and aggressive chemotherapy. As medulloblastoma exhibits marked intertumoural heterogeneity, with at least four distinct molecular variants, previous attempts to identify targets for therapy have been underpowered because of small samples sizes. Here we report somatic copy number aberrations (SCNAs) in 1,087 unique medulloblastomas. SCNAs are common in medulloblastoma, and are predominantly subgroup-enriched. The most common region of focal copy number gain is a tandem duplication of SNCAIP, a gene associated with Parkinson's disease, which is exquisitely restricted to Group 4α. Recurrent translocations of PVT1, including PVT1-MYC and PVT1-NDRG1, that arise through chromothripsis are restricted to Group 3. Numerous targetable SCNAs, including recurrent events targeting TGF-β signalling in Group 3, and NF-κB signalling in Group 4, suggest future avenues for rational, targeted therapy.

Computational and statistical analysis of copy number variants in normal and cancer genomes

AbstractAlthough the genomes from any two human individuals are more than 99.99% identical at the sequence level, some structural variation can be observed. Differences between genomes include single nucleotide polymorphism (SNP), inversion and copy number changes (gain or loss of DNA). The latter can range from submicroscopic events (CNVs, at least 1kb in size) to complete chromosomal aneuploidies. Small copy number variations have often no (lethal) consequences to the cell, but a few were associated to disease susceptibility and phenotypic variations. Larger re-arrangements (i.e. complete chromosome gain) are frequently associated with more severe consequences on health such as genomic disorders and cancer. High-throughput technologies like DNA microarrays enable the detection of CNVs in a genome-wide fashion. Since the initial catalogue of CNVs in the human genome in 2006, there has been tremendous interest in CNVs both in the context of population and medical genetics. Understanding CNV patterns within and between human populations is essential to elucidate their possible contribution to disease. But genome analysis is a challenging task; the technology evolves rapidly creating needs for novel, efficient and robust analytical tools which need to be compared with existing ones. Also, while the link between CNV and disease has been established, the relative CNV contribution is not fully understood and the predisposition to disease from CNVs of the general population has not been yet investigated.During my PhD thesis, I worked on several aspects related to CNVs. As l will report in chapter 3, ! was interested in computational methods to detect CNVs from the general population. I had access to the CoLaus dataset, a population-based study with more than 6,000 participants from the Lausanne area. All these individuals were analysed on SNP arrays and extensive clinical information were available. My work explored existing CNV detection methods and I developed a variety of metrics to compare their performance. Since these methods were not producing entirely satisfactory results, I implemented my own method which outperformed two existing methods. I also devised strategies to combine CNVs from different individuals into CNV regions.I was also interested in the clinical impact of CNVs in common disease (chapter 4). Through an international collaboration led by the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) and the Imperial College London I was involved as a main data analyst in the investigation of a rare deletion at chromosome 16p11 detected in obese patients. Specifically, we compared 8,456 obese patients and 11,856 individuals from the general population and we found that the deletion was accounting for 0.7% of the morbid obesity cases and was absent in healthy non- obese controls. This highlights the importance of rare variants with strong impact and provides new insights in the design of clinical studies to identify the missing heritability in common disease.Furthermore, I was interested in the detection of somatic copy number alterations (SCNA) and their consequences in cancer (chapter 5). This project was a collaboration initiated by the Ludwig Institute for Cancer Research and involved other groups from the Swiss Institute of Bioinformatics, the CHUV and Universities of Lausanne and Geneva. The focus of my work was to identify genes with altered expression levels within somatic copy number alterations (SCNA) in seven metastatic melanoma ceil lines, using CGH and SNP arrays, RNA-seq, and karyotyping. Very few SCNA genes were shared by even two melanoma samples making it difficult to draw any conclusions at the individual gene level. To overcome this limitation, I used a network-guided analysis to determine whether any pathways, defined by amplified or deleted genes, were common among the samples. Six of the melanoma samples were potentially altered in four pathways and five samples harboured copy-number and expression changes in components of six pathways. In total, this approach identified 28 pathways. Validation with two external, large melanoma datasets confirmed all but three of the detected pathways and demonstrated the utility of network-guided approaches for both large and small datasets analysis.RésuméBien que le génome de deux individus soit similaire à plus de 99.99%, des différences de structure peuvent être observées. Ces différences incluent les polymorphismes simples de nucléotides, les inversions et les changements en nombre de copies (gain ou perte d'ADN). Ces derniers varient de petits événements dits sous-microscopiques (moins de 1kb en taille), appelés CNVs (copy number variants) jusqu'à des événements plus large pouvant affecter des chromosomes entiers. Les petites variations sont généralement sans conséquence pour la cellule, toutefois certaines ont été impliquées dans la prédisposition à certaines maladies, et à des variations phénotypiques dans la population générale. Les réarrangements plus grands (par exemple, une copie additionnelle d'un chromosome appelée communément trisomie) ont des répercutions plus grave pour la santé, comme par exemple dans certains syndromes génomiques et dans le cancer. Les technologies à haut-débit telle les puces à ADN permettent la détection de CNVs à l'échelle du génome humain. La cartographie en 2006 des CNV du génome humain, a suscité un fort intérêt en génétique des populations et en génétique médicale. La détection de différences au sein et entre plusieurs populations est un élément clef pour élucider la contribution possible des CNVs dans les maladies. Toutefois l'analyse du génome reste une tâche difficile, la technologie évolue très rapidement créant de nouveaux besoins pour le développement d'outils, l'amélioration des précédents, et la comparaison des différentes méthodes. De plus, si le lien entre CNV et maladie a été établit, leur contribution précise n'est pas encore comprise. De même que les études sur la prédisposition aux maladies par des CNVs détectés dans la population générale n'ont pas encore été réalisées.Pendant mon doctorat, je me suis concentré sur trois axes principaux ayant attrait aux CNV. Dans le chapitre 3, je détaille mes travaux sur les méthodes d'analyses des puces à ADN. J'ai eu accès aux données du projet CoLaus, une étude de la population de Lausanne. Dans cette étude, le génome de plus de 6000 individus a été analysé avec des puces SNP et de nombreuses informations cliniques ont été récoltées. Pendant mes travaux, j'ai utilisé et comparé plusieurs méthodes de détection des CNVs. Les résultats n'étant pas complètement satisfaisant, j'ai implémenté ma propre méthode qui donne de meilleures performances que deux des trois autres méthodes utilisées. Je me suis aussi intéressé aux stratégies pour combiner les CNVs de différents individus en régions.Je me suis aussi intéressé à l'impact clinique des CNVs dans le cas des maladies génétiques communes (chapitre 4). Ce projet fut possible grâce à une étroite collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) et l'Impérial College à Londres. Dans ce projet, j'ai été l'un des analystes principaux et j'ai travaillé sur l'impact clinique d'une délétion rare du chromosome 16p11 présente chez des patients atteints d'obésité. Dans cette collaboration multidisciplinaire, nous avons comparés 8'456 patients atteint d'obésité et 11 '856 individus de la population générale. Nous avons trouvés que la délétion était impliquée dans 0.7% des cas d'obésité morbide et était absente chez les contrôles sains (non-atteint d'obésité). Notre étude illustre l'importance des CNVs rares qui peuvent avoir un impact clinique très important. De plus, ceci permet d'envisager une alternative aux études d'associations pour améliorer notre compréhension de l'étiologie des maladies génétiques communes.Egalement, j'ai travaillé sur la détection d'altérations somatiques en nombres de copies (SCNA) et de leurs conséquences pour le cancer (chapitre 5). Ce projet fut une collaboration initiée par l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer et impliquant l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les Universités de Lausanne et Genève. Je me suis concentré sur l'identification de gènes affectés par des SCNAs et avec une sur- ou sous-expression dans des lignées cellulaires dérivées de mélanomes métastatiques. Les données utilisées ont été générées par des puces ADN (CGH et SNP) et du séquençage à haut débit du transcriptome. Mes recherches ont montrées que peu de gènes sont récurrents entre les mélanomes, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats. Pour contourner ces limitations, j'ai utilisé une analyse de réseaux pour définir si des réseaux de signalisations enrichis en gènes amplifiés ou perdus, étaient communs aux différents échantillons. En fait, parmi les 28 réseaux détectés, quatre réseaux sont potentiellement dérégulés chez six mélanomes, et six réseaux supplémentaires sont affectés chez cinq mélanomes. La validation de ces résultats avec deux larges jeux de données publiques, a confirmée tous ces réseaux sauf trois. Ceci démontre l'utilité de cette approche pour l'analyse de petits et de larges jeux de données.Résumé grand publicL'avènement de la biologie moléculaire, en particulier ces dix dernières années, a révolutionné la recherche en génétique médicale. Grâce à la disponibilité du génome humain de référence dès 2001, de nouvelles technologies telles que les puces à ADN sont apparues et ont permis d'étudier le génome dans son ensemble avec une résolution dite sous-microscopique jusque-là impossible par les techniques traditionnelles de cytogénétique. Un des exemples les plus importants est l'étude des variations structurales du génome, en particulier l'étude du nombre de copies des gènes. Il était établi dès 1959 avec l'identification de la trisomie 21 par le professeur Jérôme Lejeune que le gain d'un chromosome supplémentaire était à l'origine de syndrome génétique avec des répercussions graves pour la santé du patient. Ces observations ont également été réalisées en oncologie sur les cellules cancéreuses qui accumulent fréquemment des aberrations en nombre de copies (telles que la perte ou le gain d'un ou plusieurs chromosomes). Dès 2004, plusieurs groupes de recherches ont répertorié des changements en nombre de copies dans des individus provenant de la population générale (c'est-à-dire sans symptômes cliniques visibles). En 2006, le Dr. Richard Redon a établi la première carte de variation en nombre de copies dans la population générale. Ces découvertes ont démontrées que les variations dans le génome était fréquentes et que la plupart d'entre elles étaient bénignes, c'est-à-dire sans conséquence clinique pour la santé de l'individu. Ceci a suscité un très grand intérêt pour comprendre les variations naturelles entre individus mais aussi pour mieux appréhender la prédisposition génétique à certaines maladies.Lors de ma thèse, j'ai développé de nouveaux outils informatiques pour l'analyse de puces à ADN dans le but de cartographier ces variations à l'échelle génomique. J'ai utilisé ces outils pour établir les variations dans la population suisse et je me suis consacré par la suite à l'étude de facteurs pouvant expliquer la prédisposition aux maladies telles que l'obésité. Cette étude en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois a permis l'identification d'une délétion sur le chromosome 16 expliquant 0.7% des cas d'obésité morbide. Cette étude a plusieurs répercussions. Tout d'abord elle permet d'effectuer le diagnostique chez les enfants à naître afin de déterminer leur prédisposition à l'obésité. Ensuite ce locus implique une vingtaine de gènes. Ceci permet de formuler de nouvelles hypothèses de travail et d'orienter la recherche afin d'améliorer notre compréhension de la maladie et l'espoir de découvrir un nouveau traitement Enfin notre étude fournit une alternative aux études d'association génétique qui n'ont eu jusqu'à présent qu'un succès mitigé.Dans la dernière partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'analyse des aberrations en nombre de copies dans le cancer. Mon choix s'est porté sur l'étude de mélanomes, impliqués dans le cancer de la peau. Le mélanome est une tumeur très agressive, elle est responsable de 80% des décès des cancers de la peau et est souvent résistante aux traitements utilisés en oncologie (chimiothérapie, radiothérapie). Dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer, l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les universités de Lausanne et Genève, nous avons séquencés l'exome (les gènes) et le transcriptome (l'expression des gènes) de sept mélanomes métastatiques, effectués des analyses du nombre de copies par des puces à ADN et des caryotypes. Mes travaux ont permis le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées au cancer, d'établir la liste des réseaux de signalisation cellulaire affectés de façon récurrente chez le mélanome et d'identifier deux cibles thérapeutiques potentielles jusqu'alors ignorées dans les cancers de la peau.

Architectural features of bacterial genomes and their applications

Résumé -Caractéristiques architecturales des génomes bactériens et leurs applications Les bactéries possèdent généralement un seul chromosome circulaire. A chaque génération, ce chromosome est répliqué bidirectionnellement, par deux complexes enzymatiques de réplication se déplaçant en sens opposé depuis l'origine de réplication jusqu'au terminus, situé à l'opposé. Ce mode de réplication régit l'architecture du chromosome -l'orientation des gènes par rapport à la réplication, notamment - et est en grande partie à l'origine des pressions qui provoquent la variation de la composition en nucléotides du génome, hors des contraintes liées à la structure et à la fonction des protéines codées sur le chromosome. Le but de cette thèse est de contribuer à quantifier les effets de la réplication sur l'architecture chromosomique, en s'intéressant notamment aux gènes des ARN ribosomiques, cruciaux pour la bactérie. D'un autre côté, cette architecture est spécifique à l'espèce et donne ainsi une «identité génomique » aux gènes. Il est démontré ici qu'il est possible d'utiliser des marqueurs «naïfs » de cette identité pour détecter, notamment dans le génome du staphylocoque doré, des îlots de pathogénicité, qui concentrent un grand nombre de facteurs de virulence de la bactérie. Ces îlots de pathogénicité sont mobiles, et peuvent passer d'une bactérie à une autre, mais conservent durant un certain temps l'identité génomique de leur hôte précédent, ce qui permet de les reconnaître dans leur nouvel hôte. Ces méthodes simples, rapides et fiables seront de la plus haute importance lorsque le séquençage des génomes entiers sera rapide et disponible à très faible coût. Il sera alors possible d'analyser instantanément les déterminants pathogéniques et de résistance aux antibiotiques des agents pathogènes. Summary The bacterial genome is a highly organized structure, which may be referred to as the genome architecture, and is mainly directed by DNA replication. This thesis provides significant insights in the comprehension of the forces that shape bacterial chromosomes, different in each genome and contributing to confer them an identity. First, it shows the importance of the replication in directing the orientation of prokaryotic ribosomal RNAs, and how it shapes their nucleotide composition in a tax on-specific manner. Second, it highlights the pressure acting on the orientation of the genes in general, a majority of which are transcribed in the same direction as replication. Consequently, apparent infra-arm genome rearrangements, involving an exchange of the leading/lagging strands and shown to reduce growth rate, are very likely artifacts due to an incorrect contig assembly. Third, it shows that this genomic identity can be used to detect foreign parts in genomes, by establishing this identity for a given host and identifying the regions that deviate from it. This property is notably illustrated with Staphylococcus aureus: known pathogenicity islands and phages, and putative ancient pathogenicity islands concentrating many known pathogenicity-related genes are highlighted; the analysis also detects, incidentally, proteins responsible for the adhesion of S. aureus to the hosts' cells. In conclusion, the study of nucleotide composition of bacterial genomes provides the opportunity to better understand the genome-level pressures that shape DNA sequences, and to identify genes and regions potentially related to pathogenicity with fast, simple and reliable methods. This will be of crucial importance when whole-genome sequencing will be a rapid, inexpensive and routine tool.

Analysis of parapoxvirus genomes.

Eight stomatitis papulosa (SP), four orf and two milker's nodes (MN) virus isolates were compared by restriction enzyme analysis. Considerable genetic heterogeneity was found not only between isolates belonging to the three different taxonomic groups but also between members of the same group. This heterogeneity precludes classification of parapoxviruses simply by comparison of their DNA cleavage patterns. Restriction maps were therefore prepared for 12 parapoxvirus DNAs. Fragments from defined regions of the genome were then selected and used as probes for cross-hybridizations to all other parapoxvirus DNAs. DNA fragments derived from an internal region of the genome hybridized strongly to all parapoxvirus isolates examined. In contrast, cross-hybridization of the end region of the DNA molecule was observed only between members of the same virus group. Molecular hybridization as a means of classifying parapoxvirus isolates is discussed.

The making of eusociality: insights from two bumblebee genomes.

The genomes of two bumblebee species characterized by a lower level of sociality than ants and honeybees provide new insights into the origin and evolution of insect societies.