Fanconi anemia and genome stability : the role of FANCM

RÉSUMÉ: Le génome de toute cellule est susceptible d'être attaqué par des agents endogènes et exogènes. Afin de préserver l'intégrité génomique, les cellules ont développé des multitudes de mécanismes. La réplication de l'ADN, une étape importante durant le cycle cellulaire, constitue un stress et présente un danger important pour l'intégrité du génome. L'anémie de Fanconi est une maladie héréditaire rare dont les protéines impliquées semblent jouer un rôle crucial dans la réponse au stress réplicatif. La maladie est associée à une instabilité chromosomique ainsi qu'à une forte probabilité de développer des cancers. Les cellules des patients souffrant de l'anémie de Fanconi sont sensibles à des agents interférant avec la réplication de l'ADN, et plus particulièrement àdes agents qui fient les deux brins d'ADN d'une manière covalente. L'anémie de Fanconi est une maladie génétiquement hétérogène. Treize protéines ont pu être identifiées. Elles semblent figurer dans une même voie de signalisation qui est aussi connue sous le nom de « FA/BRCA pathway », car un des gènes est identique au gène BRCA2 (breast cancer susceptibility gene 2). Huit protéines forment un complexe nucléaire dont l'intégrité est nécessaire à la monoubiquitination de deux autres protéines, FANCD2 et FANCI, en réponse à un stress réplicatif. A ce jour, la fonction moléculaire des protéines du « FA/BRCA pathway »reste encore mal décrite. Au début de mon travail de thèse, nous avons donc décidé de purifier les protéines du complexe nucléaire et d'étudier leurs propriétés biochimiques. Nous avons tout d'abord étudié les cinq protéines connues à l'époque qui sont FANCA, FANCC, FANCE, FANCF et FANCG. Par la suite, nous avons étendu notre étude à des protéines découvertes plus récemment, FANCL, FANCM et FAAP24, en concentrant finalement notre travail sur la caractérisation de FANCM. FANCM, contrairement aux autres protéines du complexe, est constituée de deux domaines conservés suggérant un rôle important dans le métabolisme de l'ADN. Il s'agit d'un domaine « DEAH box hélicase »situé dans la partie N-terminale et d'un domaine « ERCC4 nuclease »situé dans la partie C-terminale de la protéine. Dans cette étude, nous avons purifié avec succès la protéine FANCM entière à partir d'un système hétérologue. Nous montrons que FANCM s'attache de manière spécifique à des jonctions de Holliday et des fourches de réplication. De plus, nous démontrons que FANCM peut déplacer le point de jonction de ces structures via son domaine hélicase de manière dépendante de l'ATP. FANCM est aussi capable de dissocier de grands intermédiaires de la recombinaison, via la migration de jonctions de Holliday à travers une région d'homologie de 2.6 kb. Tous ces résultats suggèrent que FANCM peut s'attacher spécifiquement à des fourches de réplication et à des jonctions de Holliday in vitro et que son domaine hélicase est associé à une activité migratoire efficace. Nous pensons que FANCM peut avoir un rôle direct sur les intermédiaires de réplication. Ceci est en accord avec l'idée que les protéines de l'anémie de Fanconi coordonnent la réparation de l'ADN au niveau des fourches de réplication arrêtées. Nos résultats donnent une première indication quant au rôle de FANCM dans la cellule et peuvent contribuer à élucider la fonction de cette voie de signalisation peu comprise jusqu'à présent. SUMMARY: The genome of every cell is subject to a constant offence by endogenous and exogenous agents. Not surprisingly; cells have evolved a multitude of mechanisms which aim at preserving genomic integrity. A key step during the life cycle of a cell, DNA replication itself, constitutes a special danger to the integrity of the genome. The proteins defective in the rare hereditary disease Fanconi anemia (FA) are suspected to play a crucial role in the cellular response to DNA replication stress. The disease is associated with chromosomal instability and pronounced cancer susceptibility. Cells from Fanconi anemia patients are sensitive to a variety of agents which interfere with DNA replication, DNA interstrand cross-linking agents being particularly threatening to their survival. Fanconi anemia is a genetically heterogeneous disease with 13 different proteins identified, which seem to work together in a common pathway. Since one of the FA genes is identical to the breast cancer susceptibility gene BRCA2, it is also referred to as the FA/BRCA pathway. Eight proteins form a nuclear complex, whose integriry is required for the monoubiquitination of two other FA proteins, FANCD2 and FANCI, in response to DNA replication stress. Despite intensive research, the function of the FA/BRCA pathway at a molecular level has remained largely elusive so far. At the beginning of my thesis, we therefore decided to purify the proteins of the FA core complex and to investigate their biochemical properties. We started with the five proteins which were known at that time, FANCA, FANCC, FANCE, FANCF, and FACG. Later on, we extended our studies to the newly discovered proteins FANCL, FANCM, and FAAP24, and eventually focused our work on the characterisation of FANCM. In contrast to the other core complex proteins, FANCM contains two conserved domains, which point to a role in DNA metabolism: an N-terminal DEAH box helicase domain and a C-terminal ERCC4 nuclease domain. In this study, we have successfully purified full-length FANCM from a recombinant source. We show that purified FANCM binds to branched DNA molecules, such as Holliday junctions and replication forks, with high specificity and affinity. In addition, we demonstrate that FANCM can translocate the junction point of branched DNA molecules due to its helicase domain in an ATPase-dependent manner. FANCM can even dissociate large recombination intermediates, via branch migration of Holliday junctions through a 2.6 kb region of homology. Taken together, our data suggest that FANCM can specifically bind to replication forks and Holliday junctions in vitro, and that its DEAH box helicase domain is associated with a potent branch migration activity. We propose that FANCM might have a direct role in the processing of DNA replication intermediates. This is consistent with the current view that FA proteins coordinate DNA repair at stalled replication forks. Our findings provide a first hint as to the context in which FANCM might play a role in the cell. We are optimistic that they might be key to further elucidate the function of a pathway which is far from being understood.

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Large-scale DNA sequencing in taxonomy and conservation : a case study with the mayfly family Heptageniidae (Ephemeroptera) in the Alps and Madagascar

Les larves aquatiques d'éphémères (Ephemeroptera) colonisent toutes les eaux douces du monde et sont couramment utilisées comme bio-indicateurs de la qualité de l'eau. Le genre Rhithrogena (Heptageniidae) est le deuxième plus diversifié chez les éphémères, et plusieurs espèces européennes ont une distribution restreinte dans des environnements alpins sensibles. Les espèces de Rhithrogena ont été classées en "groupes d'espèces" faciles à identifier. Cependant, malgré leur importance écologique et en terme de conservation, beaucoup d'espèces présentent des différences morphologiques ambiguës, suggérant que lataxonomie actuelle ne refléterait pas correctement leur diversité évolutive. De plus, aucune information sur leurs relations, leur origine, le taux de spéciation ou les mécanismes ayant provoqué leur remarquable diversification dans les Alpes n'est disponible. Nous avons d'abord examiné le statut spécifique d'environ 50% des espèces européennes de Rhithrogena en utilisant un large échantillonnage de populations alpines incluant 22 localités typiques, ainsi qu'une analyse basée sur le modèle général mixte de Yule et de coalescence (GMYC) appliqué à un gène mitochondrial standard (coxl) et à un gène nucléaire développé spécifiquement pour cette étude. Nous avons observé un regroupement significatif des séquences coxl en 31 espèces potentielles, et nos résultats ont fortement suggéré la présence d'espèces cryptiques et de fractionnements taxonomiques excessifs chez les Rhithrogena. Nos analyses phylogénétiques ont démontré la monophylie de quatre des six groupes d'espèces reconnus présents dans notre échantillonnage. La taxonomie ADN développée dans cette étude pose les bases d'une future révision de ce genre important mais cryptique en Europe. Puis nous avons mené une étude phylogénétique multi-gènes entre les espèces européennes de Rhithrogena. Les données provenant de trois gènes nucléaires et de deux gènes mitochondriaux ont été largement concordantes, et les relations entre les espèces bien résolues au sein de la plupart des groupes d'espèces dans une analyse combinant tous les gènes. En l'absence de points de calibration extérieurs tels que des fossiles, nous avons appliqué à nos données mitochondriales une horloge moléculaire standard pour les insectes, suggérant une origine des Rhithrogena alpins à la limite Oligocène / Miocène. Nos résultats ont montré le rôle prépondérant qu'ont joué les glaciations du quaternaire dans leur diversification, favorisant la spéciation d'au moins la moitié des espèces actuelle dans les Alpes. La biodiversité et le taux d'endémisme à Madagascar, notamment au niveau de la faune des eaux douces, sont parmi les plus extraordinaires et les plus menacés au monde. On pense que beaucoup d'espèces d'éphémères sont restreintes à un seul bassin versant (microendémisme) dans les zones forestières, ce qui les rendrait particulièrement sensibles à la réduction et à la dégradation de leur habitat. Mis à part deux espèces décrites, Afronurus matitensis et Compsoneuria josettae, les Heptageniidae sont pratiquement inconnus à Madagascar. Les deux genres ont une distribution discontinue en Afrique, à Madagascar et en Asie du Sud-Est, et leur taxonomie complexe est régulièrement révisée. L'approche standard pour comprendre leur diversité, leur endémisme et leur origine requerrait un échantillonnage étendu sur plusieurs continents et des années de travaux taxonomiques. Pour accélérer le processus, nous avons utilisé des collections de musées ainsi que des individus fraîchement collectés, et appliqué une approche combinant taxonomie ADN et phylogénie. L'analyses GMYC du gène coxl a délimité 14 espèces potentielles à Madagascar, dont 70% vraisemblablement microendémiques. Une analyse phylogénique incluant des espèces africaines et asiatiques portant sur deux gènes mitochondriaux et quatre gènes nucléaires a montré que les Heptageniidae malgaches sont monophylétiques et groupe frère des Compsoneuria africains. L'existence de cette lignée unique, ainsi qu'un taux élevé de microendémisme, mettent en évidence leur importance en terme de conservation. Nos résultats soulignent également le rôle important que peuvent jouer les collections de musées dans les études moléculaires et en conservation. - Aquatic nymphs of mayflies (Ephemeroptera) colonize all types of freshwaters throughout the world and are extensively used as bio-indicators of water quality. Rhithrogena (Heptageniidae) is the second most species-rich genus of mayflies, and several European species have restricted distributions in sensitive Alpine environments and therefore are of conservation interest. The European Rhithrogena species are arranged into "species groups" that are easily identifiable. However, despite their ecological and conservation importance, ambiguous morphological differences among many species suggest that the current taxonomy may not accurately reflect their evolutionary diversity. Moreover, no information about their relationships, origin, timing of speciation and mechanisms promoting their successful diversification in the Alps is available. We first examined the species status of ca. 50% of European Rhithrogena diversity using a widespread sampling scheme of Alpine species that included 22 type localities, general mixed Yule- coalescent (GMYC) model analysis of one standard mitochondrial (coxl) and one newly developed nuclear marker. We observed significant clustering of coxl into 31 GMYC species, and our results strongly suggest the presence of both cryptic diversity and taxonomic oversplitting in Rhithrogena. Phylogenetic analyses recovered four of the six recognized species groups in our samples as monophyletic. The DNA taxonomy developed here lays the groundwork for a future revision of this important but cryptic genus in Europe. Then we conducted a species-level, multiple-gene phylogenetic study of European Rhithrogena. Data from three nuclear and two mitochondrial loci were broadly congruent, and species-level relationships were well resolved within most species groups in a combined analysis. In the absence of external calibration points like fossils, we applied a standard insect molecular clock hypothesis to our mitochondrial data, suggesting an origin of Alpine Rhithrogena in the Oligocene / Miocene boundary. Our results highlighted the preponderant role that quaternary glaciations played in their diversification, promoting speciation of at least half of the current diversity in the Alps. Madagascar's biodiversity and endemism are among the most extraordinary and endangered in the world. This includes the island's freshwater biodiversity, although detailed knowledge of the diversity, endemism, and biogeographic origin of freshwater invertebrates is lacking. Many mayfly species are thought to be restricted to single river basins (microendemic species) in forested areas, making them particularly sensitive to habitat reduction and degradation. The Heptageniidae are practically unknown in Madagascar except for two described species, Afronurus matitensis and Compsoneuria josettae. Both genera have a disjunct distribution in Africa, Madagascar and Southeast Asia, and a complex taxonomic status still in flux. The standard approach to understanding their diversity, endemism, and origin would require extensive field sampling on several continents and years of taxonomic work. Here we circumvent this using museum collections and freshly collected individuals in a combined approach of DNA taxonomy and phylogeny. The cox/-based GMYC analysis revealed 14 putative species on Madagascar, 70% of which potentially microendemics. A phylogenetic analysis that included African and Asian species and data from two mitochondrial and four nuclear loci indicated the Malagasy Heptageniidae are monophyletic and sister to African Compsoneuria. The observed monophyly and high microendemism highlight their conservation importance. Our results also underline the important role that museum collections can play in molecular studies, especially in critically endangered biodiversity hotspots like Madagascar.

Providing more informative projections of climate change impact on plant distribution in a mountain environment

Summary Due to their conic shape and the reduction of area with increasing elevation, mountain ecosystems were early identified as potentially very sensitive to global warming. Moreover, mountain systems may experience unprecedented rates of warming during the next century, two or three times higher than that records of the 20th century. In this context, species distribution models (SDM) have become important tools for rapid assessment of the impact of accelerated land use and climate change on the distribution plant species. In my study, I developed and tested new predictor variables for species distribution models (SDM), specific to current and future geographic projections of plant species in a mountain system, using the Western Swiss Alps as model region. Since meso- and micro-topography are relevant to explain geographic patterns of plant species in mountain environments, I assessed the effect of scale on predictor variables and geographic projections of SDM. I also developed a methodological framework of space-for-time evaluation to test the robustness of SDM when projected in a future changing climate. Finally, I used a cellular automaton to run dynamic simulations of plant migration under climate change in a mountain landscape, including realistic distance of seed dispersal. Results of future projections for the 21st century were also discussed in perspective of vegetation changes monitored during the 20th century. Overall, I showed in this study that, based on the most severe A1 climate change scenario and realistic dispersal simulations of plant dispersal, species extinctions in the Western Swiss Alps could affect nearly one third (28.5%) of the 284 species modeled by 2100. With the less severe 61 scenario, only 4.6% of species are predicted to become extinct. However, even with B1, 54% (153 species) may still loose more than 80% of their initial surface. Results of monitoring of past vegetation changes suggested that plant species can react quickly to the warmer conditions as far as competition is low However, in subalpine grasslands, competition of already present species is probably important and limit establishment of newly arrived species. Results from future simulations also showed that heavy extinctions of alpine plants may start already in 2040, but the latest in 2080. My study also highlighted the importance of fine scale and regional. assessments of climate change impact on mountain vegetation, using more direct predictor variables. Indeed, predictions at the continental scale may fail to predict local refugees or local extinctions, as well as loss of connectivity between local populations. On the other hand, migrations of low-elevation species to higher altitude may be difficult to predict at the local scale. Résumé La forme conique des montagnes ainsi que la diminution de surface dans les hautes altitudes sont reconnues pour exposer plus sensiblement les écosystèmes de montagne au réchauffement global. En outre, les systèmes de montagne seront sans doute soumis durant le 21ème siècle à un réchauffement deux à trois fois plus rapide que celui mesuré durant le 20ème siècle. Dans ce contexte, les modèles prédictifs de distribution géographique de la végétation se sont imposés comme des outils puissants pour de rapides évaluations de l'impact des changements climatiques et de la transformation du paysage par l'homme sur la végétation. Dans mon étude, j'ai développé de nouvelles variables prédictives pour les modèles de distribution, spécifiques à la projection géographique présente et future des plantes dans un système de montagne, en utilisant les Préalpes vaudoises comme zone d'échantillonnage. La méso- et la microtopographie étant particulièrement adaptées pour expliquer les patrons de distribution géographique des plantes dans un environnement montagneux, j'ai testé les effets d'échelle sur les variables prédictives et sur les projections des modèles de distribution. J'ai aussi développé un cadre méthodologique pour tester la robustesse potentielle des modèles lors de projections pour le futur. Finalement, j'ai utilisé un automate cellulaire pour simuler de manière dynamique la migration future des plantes dans le paysage et dans quatre scénarios de changement climatique pour le 21ème siècle. J'ai intégré dans ces simulations des mécanismes et des distances plus réalistes de dispersion de graines. J'ai pu montrer, avec les simulations les plus réalistes, que près du tiers des 284 espèces considérées (28.5%) pourraient être menacées d'extinction en 2100 dans le cas du plus sévère scénario de changement climatique A1. Pour le moins sévère des scénarios B1, seulement 4.6% des espèces sont menacées d'extinctions, mais 54% (153 espèces) risquent de perdre plus 80% de leur habitat initial. Les résultats de monitoring des changements de végétation dans le passé montrent que les plantes peuvent réagir rapidement au réchauffement climatique si la compétition est faible. Dans les prairies subalpines, les espèces déjà présentes limitent certainement l'arrivée de nouvelles espèces par effet de compétition. Les résultats de simulation pour le futur prédisent le début d'extinctions massives dans les Préalpes à partir de 2040, au plus tard en 2080. Mon travail démontre aussi l'importance d'études régionales à échelle fine pour évaluer l'impact des changements climatiques sur la végétation, en intégrant des variables plus directes. En effet, les études à échelle continentale ne tiennent pas compte des micro-refuges, des extinctions locales ni des pertes de connectivité entre populations locales. Malgré cela, la migration des plantes de basses altitudes reste difficile à prédire à l'échelle locale sans modélisation plus globale.

T-dependent B cell activation and differentiation in Lat Y136F mice : polyclonal response leading to autoimmune disease

SUMMARY LatY136F knock-in mice harbor a point mutation in tyrosine 136 of the linker for activation of T cells (LAT), and show accumulation of TH2 effector cells leading to IgG1 and IgE hypergammaglobulinemia. The observed polyclonal. B cell activation was not a direct effect of the mutation on B cells since in the absence of T cells mutant B cells did not show an activated phenotype. After adoptive transfer of LAT mutant T cells into wild type (WT) Tcell-deficient recipients, recipient B cells became activated. We show in vivo and in vitro that the LatY136F mutation promotes Tcell-dependent B cell activation leading to germinal center, memory and plasma cell formation even in the absence of MHC class II. This effect was, however, dependant on CD40 and CD80/CD86. All the plasma and memory B cell populations found in physiological T cell-dependent B cell responses were found. Characterization of the abundant plasmablasts observed in. secondary lymphoid organs of LatY136F mice revealed the presence of a previously uncharacterized CD93expressing subpopulation, whose existence was confirmed in WT mice after immunization. In LatY136F mice, B cell activation was polyclonal and not antigen-driven, since the increase in serum IgG1 and IgE concentrations involved antibodies and autoantibodies with different specificities equally. Although the non-complement-fixing IgG1 and IgE were the only isotypes significantly increased in LatY136F serum, we observed early onset of systemic autoimmunity with nephritis showing IgE autoantibody deposits and severe proteinuria. These results show that TH2 cells developing in LatY136F mice can trigger polyclonal B cell activation and thereby lead to systemic autoimmune disease. RESUME Les souris présentent une mutation ponctuelle au niveau de la tyrosine 136 de l'adaptateur requis pour l'activation des cellules T (LAT) et développent, de ce fait, une accumulation de cellules T effectrices de type TH2 ainsi qu'une hypergammaglobulémie des isotypes IgG1 et IgE. Dans ce modèle murin, l'activation des cellules B et la production d'anticorps qui y est associée ne sont pas dues à un effet direct de la mutation. Nous avons mis en évidence que l'interaction physique entre cellules T activées et cellules B est indispensable au développement de ce phenotype. D'un point de vue moléculaire, cette interaction ne requiert pas l'intervention des complexes majeurs d'histocompatibilité de classe II, garant de la spécificité d'une réponse immunitaire. Cependant, les molécules de costimulation CD40 et CD80/CD86 sont indispensables à une réponse complète des cellules B. Les souris LatY136F développent d'importantes populations de cellules B des centres germinatifs, de cellules B mémoires ainsi que de cellules sécrétant des anticorps, qui présentent les mêmes caractéristiques que lors d'une réponse immunitaire à un antigène classique. En observant plus précisément les plasmablastes présents dans les ganglions des souris LatY13sF, nous avons détecté une sous-population exprimant CD93; l'expression de ce marqueur par les cellules B n'a jamais été mise en évidence durant une réponse immunitaire. Cependant, notre étude a permis de confirmer sa présence, dans les ganglions de souris de type sauvage, lors d'immunisation avec différents antigènes. Nous avons montré que l'activation des cellules B des souris LatY136F est polyclonale et n'est pas dirigée par un antigène; les taux d'autoanticorps augmentent de manière proportionnelle à ceux des anticorps totaux. Bien que les IgG1 et les IgE ne soient pas des isotypes connus pour leurs propriétés pathogéniques, nous avons observé le développement d'une autoimmunité systémique caractérisée par une néphrite impliquant des dépôts d'autoanticorps du type IgE ainsi que par une sévère proteinurée.

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.

Machine learning for geospatial data : algorithms, software tools and case studies

Résumé Cette thèse est consacrée à l'analyse, la modélisation et la visualisation de données environnementales à référence spatiale à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). L'apprentissage automatique peut être considéré au sens large comme une sous-catégorie de l'intelligence artificielle qui concerne particulièrement le développement de techniques et d'algorithmes permettant à une machine d'apprendre à partir de données. Dans cette thèse, les algorithmes d'apprentissage automatique sont adaptés pour être appliqués à des données environnementales et à la prédiction spatiale. Pourquoi l'apprentissage automatique ? Parce que la majorité des algorithmes d'apprentissage automatiques sont universels, adaptatifs, non-linéaires, robustes et efficaces pour la modélisation. Ils peuvent résoudre des problèmes de classification, de régression et de modélisation de densité de probabilités dans des espaces à haute dimension, composés de variables informatives spatialisées (« géo-features ») en plus des coordonnées géographiques. De plus, ils sont idéaux pour être implémentés en tant qu'outils d'aide à la décision pour des questions environnementales allant de la reconnaissance de pattern à la modélisation et la prédiction en passant par la cartographie automatique. Leur efficacité est comparable au modèles géostatistiques dans l'espace des coordonnées géographiques, mais ils sont indispensables pour des données à hautes dimensions incluant des géo-features. Les algorithmes d'apprentissage automatique les plus importants et les plus populaires sont présentés théoriquement et implémentés sous forme de logiciels pour les sciences environnementales. Les principaux algorithmes décrits sont le Perceptron multicouches (MultiLayer Perceptron, MLP) - l'algorithme le plus connu dans l'intelligence artificielle, le réseau de neurones de régression généralisée (General Regression Neural Networks, GRNN), le réseau de neurones probabiliste (Probabilistic Neural Networks, PNN), les cartes auto-organisées (SelfOrganized Maps, SOM), les modèles à mixture Gaussiennes (Gaussian Mixture Models, GMM), les réseaux à fonctions de base radiales (Radial Basis Functions Networks, RBF) et les réseaux à mixture de densité (Mixture Density Networks, MDN). Cette gamme d'algorithmes permet de couvrir des tâches variées telle que la classification, la régression ou l'estimation de densité de probabilité. L'analyse exploratoire des données (Exploratory Data Analysis, EDA) est le premier pas de toute analyse de données. Dans cette thèse les concepts d'analyse exploratoire de données spatiales (Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA) sont traités selon l'approche traditionnelle de la géostatistique avec la variographie expérimentale et selon les principes de l'apprentissage automatique. La variographie expérimentale, qui étudie les relations entre pairs de points, est un outil de base pour l'analyse géostatistique de corrélations spatiales anisotropiques qui permet de détecter la présence de patterns spatiaux descriptible par une statistique. L'approche de l'apprentissage automatique pour l'ESDA est présentée à travers l'application de la méthode des k plus proches voisins qui est très simple et possède d'excellentes qualités d'interprétation et de visualisation. Une part importante de la thèse traite de sujets d'actualité comme la cartographie automatique de données spatiales. Le réseau de neurones de régression généralisée est proposé pour résoudre cette tâche efficacement. Les performances du GRNN sont démontrées par des données de Comparaison d'Interpolation Spatiale (SIC) de 2004 pour lesquelles le GRNN bat significativement toutes les autres méthodes, particulièrement lors de situations d'urgence. La thèse est composée de quatre chapitres : théorie, applications, outils logiciels et des exemples guidés. Une partie importante du travail consiste en une collection de logiciels : Machine Learning Office. Cette collection de logiciels a été développée durant les 15 dernières années et a été utilisée pour l'enseignement de nombreux cours, dont des workshops internationaux en Chine, France, Italie, Irlande et Suisse ainsi que dans des projets de recherche fondamentaux et appliqués. Les cas d'études considérés couvrent un vaste spectre de problèmes géoenvironnementaux réels à basse et haute dimensionnalité, tels que la pollution de l'air, du sol et de l'eau par des produits radioactifs et des métaux lourds, la classification de types de sols et d'unités hydrogéologiques, la cartographie des incertitudes pour l'aide à la décision et l'estimation de risques naturels (glissements de terrain, avalanches). Des outils complémentaires pour l'analyse exploratoire des données et la visualisation ont également été développés en prenant soin de créer une interface conviviale et facile à l'utilisation. Machine Learning for geospatial data: algorithms, software tools and case studies Abstract The thesis is devoted to the analysis, modeling and visualisation of spatial environmental data using machine learning algorithms. In a broad sense machine learning can be considered as a subfield of artificial intelligence. It mainly concerns with the development of techniques and algorithms that allow computers to learn from data. In this thesis machine learning algorithms are adapted to learn from spatial environmental data and to make spatial predictions. Why machine learning? In few words most of machine learning algorithms are universal, adaptive, nonlinear, robust and efficient modeling tools. They can find solutions for the classification, regression, and probability density modeling problems in high-dimensional geo-feature spaces, composed of geographical space and additional relevant spatially referenced features. They are well-suited to be implemented as predictive engines in decision support systems, for the purposes of environmental data mining including pattern recognition, modeling and predictions as well as automatic data mapping. They have competitive efficiency to the geostatistical models in low dimensional geographical spaces but are indispensable in high-dimensional geo-feature spaces. The most important and popular machine learning algorithms and models interesting for geo- and environmental sciences are presented in details: from theoretical description of the concepts to the software implementation. The main algorithms and models considered are the following: multi-layer perceptron (a workhorse of machine learning), general regression neural networks, probabilistic neural networks, self-organising (Kohonen) maps, Gaussian mixture models, radial basis functions networks, mixture density networks. This set of models covers machine learning tasks such as classification, regression, and density estimation. Exploratory data analysis (EDA) is initial and very important part of data analysis. In this thesis the concepts of exploratory spatial data analysis (ESDA) is considered using both traditional geostatistical approach such as_experimental variography and machine learning. Experimental variography is a basic tool for geostatistical analysis of anisotropic spatial correlations which helps to understand the presence of spatial patterns, at least described by two-point statistics. A machine learning approach for ESDA is presented by applying the k-nearest neighbors (k-NN) method which is simple and has very good interpretation and visualization properties. Important part of the thesis deals with a hot topic of nowadays, namely, an automatic mapping of geospatial data. General regression neural networks (GRNN) is proposed as efficient model to solve this task. Performance of the GRNN model is demonstrated on Spatial Interpolation Comparison (SIC) 2004 data where GRNN model significantly outperformed all other approaches, especially in case of emergency conditions. The thesis consists of four chapters and has the following structure: theory, applications, software tools, and how-to-do-it examples. An important part of the work is a collection of software tools - Machine Learning Office. Machine Learning Office tools were developed during last 15 years and was used both for many teaching courses, including international workshops in China, France, Italy, Ireland, Switzerland and for realizing fundamental and applied research projects. Case studies considered cover wide spectrum of the real-life low and high-dimensional geo- and environmental problems, such as air, soil and water pollution by radionuclides and heavy metals, soil types and hydro-geological units classification, decision-oriented mapping with uncertainties, natural hazards (landslides, avalanches) assessments and susceptibility mapping. Complementary tools useful for the exploratory data analysis and visualisation were developed as well. The software is user friendly and easy to use.

Pharmacokinetic and pharmacodynamic assessment of valganciclovir in solid organ transplant recipients

RESUME : Valganciclovir (Valcyte®) is an orally administered ester prodrug of the standard anticytomegalovirus (CMV) drug ganciclovir. This drug enabled an important reduction of the burden of CMV morbidity and mortality in solid organ transplant recipients. Prevention of CMV infection and treatment of CMV disease requires drug administration during many weeks. Oral drug administration is therefore convenient. Valganciclovir has been developed to overcome the poor oral availability of ganciclovir, which limits its concentration exposure after oral administration and thus its efficacy. This prodrug crosses efficiently the intestinal barrier, is then hydrolyzed into ganciclovir, providing exposure similar to intravenous ganciclovir. Valganciclovir is now preferred for the prophylaxis and treatment of CMV infection in solid organ transplant recipients. Nevertheless, adequate dosage adjustment is necessary to optimize its use, avoiding either insufficient or exaggerate exposure related to differences in its pharmacokinetic profile between patients. The main goal of this thesis was to better describe the pharmacokinetic and pharmacodynamic profile of valganciclovir in solid organ transplant recipients, to assess their reproducibility and their predictability, and thus to evaluate the current recommendations for valganciclovir dosage adjustment and the potential contribution of routine therapeutic drug monitoring (TDM) to patients' management. A total of 437 ganciclovir plasma concentration data from 65 transplant patients (41 kidney, 12 lung, 10 heart and 2 liver recipients, 58 under oral valganciclovir prophylaxis, 8 under oral valganciclovir treatment and 2 under intravenous ganciclovir) were measured using a validated chromatographic method (HPLC) developed for this study. The results were analyzed by non-linear mixed effect modeling (NONMEM). A two-compartment model with first-order absorption appropriately described the data. Systemic clearance was markedly influenced by GFR, with further differences between graft types and sex (CL/GFR = 1.7 in kidney, 0.9 in heart and 1.2 in lung and liver recipients) with interpatient variability (CV%) of 26% and interoccasion variability of 12%. Body weight and sex influenced central volume of distribution (V1 = 0.34 l/kg in males and 0.27 l/kg in females) with an interpatient variability of 20%. Residual intrapatient variability was 21 %. No significant drug interaction influenced GCV disposition. VGC prophylactic efficacy and tolerability were good, without detectable dependence on GCV profile. In conclusion, this analysis highlights the importance of thorough adjustment of VGC dosage to renal function and body weight. Considering the good predictability and reproducibility of GCV profile after oral VGC in solid organ transplant recipients, routine TDM does not appear to be clinically indicated. However, GCV plasma measurement may still be helpful in specific clinical situations such as documentation of appropriate exposure in patients with potentially compromised absorption, or lack of response to CMV disease treatment, or under renal replacement therapy. RESUME : Le valganciclovir (Valcyte®) est un promédicament oral du ganciclovir qui est un anti-infectieux de référence contre les infections à cytomegalovirus (CMV). Cet antiviral a permis de réduire les effets délétères de cette infection jusqu'ici responsable d'une importante morbidité et mortalité chez les transplantés d'organe. La prévention et le traitement de l'infection à CMV sont donc nécessaires mais requièrent l'administration d'un agent antiviral sur une longue période. Un médicament administré par voie orale représente donc un avantage évident. Le valganciclovir a été développé dans le but d'améliorer la faible absorption orale du ganciclovir, et donc son efficacité. Cet ester valylique du ganciclovir traverse plus facilement la barrière gastro-intestinale, puis est hydrolysé en ganciclovir dans la circulation sanguine, produisant une exposition comparable à celle d'une perfusion intraveineuse de ganciclovir. De ce fait, le valganciclovir est devenu largement utilisé pour la prophylaxie mais aussi le traitement de l'infection à CMV. Néanmoins une utilisation optimale de ce nouveau médicament nécessite de bonnes connaissances sur son profil pharmacocinétique afin d'établir un schéma de dose adapté pour éviter tant une surexposition qu'une sous-exposition résultant des différences d'élimination entre les patients. Le but de cette thèse a été d'étudier le profil pharmacocinétique et pharmacodynamique du valganciclovir chez les transplantés d'organe ainsi que sa reproductibilité et sa prédictibilité. Il s'agissait d'apprécier de manière critique le schéma actuellement recommandé pour l'adaptation des doses de valganciclovir, mais aussi la contribution éventuelle d'un suivi des concentrations sanguines en routine. Un total de 437 taux sanguins de ganciclovir ont été mesurés, provenant de 65 patients transplantés d'organe (41 rénaux, 12 pulmonaires, 10 cardiaques et 2 hépatiques, 58 sous une prophylaxie orale de valganciclovir, 8 sous un traitement de valganciclovir et 2 sous un traitement intraveineux). Une méthode de chromatographie liquide à haute performance a été développée et validée pour cette étude. Les résultats ont été ensuite analysés par modélisation non linéaire à effets mixtes (NONMEM). Un modèle à deux compartiments avec absorption de premier ordre a permis de décrire les données. La clairance systémique était principalement influencée par le débit de filtration glomérulaire (GFR), avec une différence entre les types de greffe et les sexes (CL/GFR = 1.7 chez les greffés rénaux, 0.9 pour les greffés cardiaques et 1.2 pour le groupe des greffés pulmonaires et hépatiques) avec un variabilité inter-individuelle de 26% (CV%) et une variabilité inter-occasion de 12%. Le poids corporel ainsi que le sexe avaient une influence sur le volume central de distribution (V1 = 0.34 l/kg chez les hommes et 0.27 l/kg chez les femmes) avec une variabilité inter-individuelle de 20%. La variabilité intra-individuelle résiduelle était de 21 %. Aucune interaction médicamenteuse n'a montré d'influence sur le profil du ganciclovir. La prophylaxie avec le valganciclovir s'est révélée efficace et bien tolérée. En conclusion, cette analyse souligne l'importance d'une adaptation de la dose du valganciclovir à la fonction rénale et au poids du patient. Au vu de la bonne reproductibilité et prédictibilité du profil pharmacocinétique du ganciclovir chez les patients transplantés recevant du valganciclovir, un suivi des concentrations sanguines en routine ne semble pas cliniquement indiqué. Néanmoins, la mesure des taux plasmatiques de ganciclovir peut être utile dans certaines situations particulières, comme la vérification d'une exposition appropriée chez des patients susceptibles d'absorption insuffisante, ou ne répondant pas au traitement d'une infection à CMV ou encore sous épuration extra-rénale. RESUME LARGE PUBLIC : Le valganciclovir est un précurseur capable de libérer du ganciclovir, récemment développé pour améliorer la faible absorption orale de ce dernier. Une fois le valganciclovir absorbé, le ganciclovir libéré dans la circulation sanguine devient efficace contre les infections à cytomégalovirus. Ce virus largement répandu est responsable de maladies insidieuses et parfois graves chez les personnes présentant une baisse des défenses immunitaires, comme les greffés d'organe recevant un traitement anti-rejet. Le ganciclovir est administré pendant plusieurs mois consécutifs soit pour prévenir une infection après la transplantation, soit pour traiter une infection déclarée. La facilité d'administration du valganciclovir par voie orale représente un avantage sur une administration du ganciclovir par perfusion, qui nécessite une hospitalisation. Toutefois, la voie orale peut être une source supplémentaire de variabilité chez les patients, avec un impact potentiel sur l'efficacité ou la toxicité du médicament. Le but de cette étude a été - de décrire le devenir de ce médicament dans le corps humain (dont l'étude relève de la discipline de la pharmacocinétique) - de définir les facteurs cliniques pouvant expliquer les différences de concentration sanguine observées entre les patients sous une posologie donnée - d'explorer les relations entre les concentrations du médicament dans le sang et son efficacité ou la survenue d'effets indésirables (dont l'étude relève de la discipline de la pharmacodynamie). Cette étude a nécessité le développement et la validation, d'une méthode d'analyse pour mesurer la concentration sanguine du ganciclovir, puis son application à 437 échantillons provenant de 65 patients transplantés d'organe solide (41 rénaux, 12 pulmonaires, 10 cardiaques et 2 hépatiques) recevant du valganciclovir. Les résultats des mesures effectuées ont été analysés à l'aide d'un outil mathématique afin d'élaborer un modèle du devenir du médicament dans le sang chez chaque patient et à chaque occasion. Cette étude a permis d'évaluer chez des patients recevant le valganciclovir, la vitesse à laquelle l'organisme absorbe, distribue, puis élimine le médicament. La vitesse d'élimination dépendait étroitement de la fonction rénale, du type de greffe et du sexe alors que la distribution dépendait du poids et du sexe du patient. La variabilité non expliquée par ces facteurs cliniques était modérée et vraisemblablement sans conséquence clinique évidente soit sur l'efficacité ou la tolérance, qui se révèlent très satisfaisantes chez les patients de l'étude. Les observations n'ont pas révélé de relation entre les concentrations de médicament et l'efficacité thérapeutique ou la survenue d'effets indésirables, confirmant que les doses relativement faibles utilisées dans notre collectif de patients suffisaient à produire une exposition reproductible à des concentrations adéquates. En conclusion, le profil (et par conséquent l'absorption) du valganciclovir chez les patients transplantés semble bien prédictible après une adaptation de la dose à la fonction rénale et au poids du patient. Un contrôle systématique des concentrations sanguines n'est probablement pas indiqué en routine, mais cette mesure peut présenter un intérêt dans certaines conditions particulières.

EADock : design of a new molecular docking algorithm and some of its applications

3 Summary 3. 1 English The pharmaceutical industry has been facing several challenges during the last years, and the optimization of their drug discovery pipeline is believed to be the only viable solution. High-throughput techniques do participate actively to this optimization, especially when complemented by computational approaches aiming at rationalizing the enormous amount of information that they can produce. In siiico techniques, such as virtual screening or rational drug design, are now routinely used to guide drug discovery. Both heavily rely on the prediction of the molecular interaction (docking) occurring between drug-like molecules and a therapeutically relevant target. Several softwares are available to this end, but despite the very promising picture drawn in most benchmarks, they still hold several hidden weaknesses. As pointed out in several recent reviews, the docking problem is far from being solved, and there is now a need for methods able to identify binding modes with a high accuracy, which is essential to reliably compute the binding free energy of the ligand. This quantity is directly linked to its affinity and can be related to its biological activity. Accurate docking algorithms are thus critical for both the discovery and the rational optimization of new drugs. In this thesis, a new docking software aiming at this goal is presented, EADock. It uses a hybrid evolutionary algorithm with two fitness functions, in combination with a sophisticated management of the diversity. EADock is interfaced with .the CHARMM package for energy calculations and coordinate handling. A validation was carried out on 37 crystallized protein-ligand complexes featuring 11 different proteins. The search space was defined as a sphere of 15 R around the center of mass of the ligand position in the crystal structure, and conversely to other benchmarks, our algorithms was fed with optimized ligand positions up to 10 A root mean square deviation 2MSD) from the crystal structure. This validation illustrates the efficiency of our sampling heuristic, as correct binding modes, defined by a RMSD to the crystal structure lower than 2 A, were identified and ranked first for 68% of the complexes. The success rate increases to 78% when considering the five best-ranked clusters, and 92% when all clusters present in the last generation are taken into account. Most failures in this benchmark could be explained by the presence of crystal contacts in the experimental structure. EADock has been used to understand molecular interactions involved in the regulation of the Na,K ATPase, and in the activation of the nuclear hormone peroxisome proliferatoractivated receptors a (PPARa). It also helped to understand the action of common pollutants (phthalates) on PPARy, and the impact of biotransformations of the anticancer drug Imatinib (Gleevec®) on its binding mode to the Bcr-Abl tyrosine kinase. Finally, a fragment-based rational drug design approach using EADock was developed, and led to the successful design of new peptidic ligands for the a5ß1 integrin, and for the human PPARa. In both cases, the designed peptides presented activities comparable to that of well-established ligands such as the anticancer drug Cilengitide and Wy14,643, respectively. 3.2 French Les récentes difficultés de l'industrie pharmaceutique ne semblent pouvoir se résoudre que par l'optimisation de leur processus de développement de médicaments. Cette dernière implique de plus en plus. de techniques dites "haut-débit", particulièrement efficaces lorsqu'elles sont couplées aux outils informatiques permettant de gérer la masse de données produite. Désormais, les approches in silico telles que le criblage virtuel ou la conception rationnelle de nouvelles molécules sont utilisées couramment. Toutes deux reposent sur la capacité à prédire les détails de l'interaction moléculaire entre une molécule ressemblant à un principe actif (PA) et une protéine cible ayant un intérêt thérapeutique. Les comparatifs de logiciels s'attaquant à cette prédiction sont flatteurs, mais plusieurs problèmes subsistent. La littérature récente tend à remettre en cause leur fiabilité, affirmant l'émergence .d'un besoin pour des approches plus précises du mode d'interaction. Cette précision est essentielle au calcul de l'énergie libre de liaison, qui est directement liée à l'affinité du PA potentiel pour la protéine cible, et indirectement liée à son activité biologique. Une prédiction précise est d'une importance toute particulière pour la découverte et l'optimisation de nouvelles molécules actives. Cette thèse présente un nouveau logiciel, EADock, mettant en avant une telle précision. Cet algorithme évolutionnaire hybride utilise deux pressions de sélections, combinées à une gestion de la diversité sophistiquée. EADock repose sur CHARMM pour les calculs d'énergie et la gestion des coordonnées atomiques. Sa validation a été effectuée sur 37 complexes protéine-ligand cristallisés, incluant 11 protéines différentes. L'espace de recherche a été étendu à une sphère de 151 de rayon autour du centre de masse du ligand cristallisé, et contrairement aux comparatifs habituels, l'algorithme est parti de solutions optimisées présentant un RMSD jusqu'à 10 R par rapport à la structure cristalline. Cette validation a permis de mettre en évidence l'efficacité de notre heuristique de recherche car des modes d'interactions présentant un RMSD inférieur à 2 R par rapport à la structure cristalline ont été classés premier pour 68% des complexes. Lorsque les cinq meilleures solutions sont prises en compte, le taux de succès grimpe à 78%, et 92% lorsque la totalité de la dernière génération est prise en compte. La plupart des erreurs de prédiction sont imputables à la présence de contacts cristallins. Depuis, EADock a été utilisé pour comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation de la Na,K ATPase et dans l'activation du peroxisome proliferatoractivated receptor a (PPARa). Il a également permis de décrire l'interaction de polluants couramment rencontrés sur PPARy, ainsi que l'influence de la métabolisation de l'Imatinib (PA anticancéreux) sur la fixation à la kinase Bcr-Abl. Une approche basée sur la prédiction des interactions de fragments moléculaires avec protéine cible est également proposée. Elle a permis la découverte de nouveaux ligands peptidiques de PPARa et de l'intégrine a5ß1. Dans les deux cas, l'activité de ces nouveaux peptides est comparable à celles de ligands bien établis, comme le Wy14,643 pour le premier, et le Cilengitide (PA anticancéreux) pour la seconde.

Mesozoic oceanic terranes of southern Central America : geology, geochemistry and gedynamics

Abstract The Northwestern edge of the modern Caribbean Plate, located in central Middle America (S-Guatemala to N-Costa Rica), is characterized by a puzzle of oceanic and continental terranes that belonged originally to the Pacific façade of North America. South of the Motagua Fault Zone, the actual northern strike slip boundary of the Caribbean Plate, three continental slivers (Copán, Chortis s. str. and Patuca) are sandwiched between two complex suture zones that contain HP/LT mafic and ultramafic oceanic rocks: The Motagua Mélanges to the North, extensively studied in the last ten years and the' newly defined Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT) to the South. No modem geological data were available for the oceanic terrane located in the southern part of the so called continental "Chortis Block". Classically, the southern limit of this block with the Caribbean Large Igneous Province (CLIP) was placed at a hypothetical fault line connecting the main E-W fault in the Santa Elena Peninsula (N-Costa Rica) with the Hess Escarpment. However, our study in eastern Nicaragua and northwestern Costa Rica evidences an extensive assemblage of oceanic upper mantle and crustal rocks outcropping between the Chortis/Patuca continental blocks and the CLIP. They comprise collided and accreted exotic terranes of Pacific origin recording a polyphased tectonic history. We distinguish: 1- The MCOT that comprises a Late Triassic to Early Cretaceous puzzle of oceanic crust and arc-derived rocks set in a serpentinite matrix, and 2- The Manzanillo and Nicoya Terranes that are made of Cretaceous plateau-like rocks associated with oceanic sediments older than the CLIP. This study has been focused on the rocks of the MCOT. The MCOT comprises the southern half of the former "Chortis Block" and is defined by 4 comer localities characterized by ultramafic and mafic oceanic rocks of Late Triassic, Jurassic and Early Cretaceous age: 1- The Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- The El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- DSDP Legs 67 and 84 (Guatemala fore-arc basin), and 4- The Santa Elena Peridiotite (NW-Costa Rica). The Siuna Serpentinite Mélange (SSM) is a HP/LT subduction zone mélange set in a serpentinite matrix that contains oceanic crust and arc-related greenschist to blueschist/eclogite facies metamafic and metasedimentary blocks. Middle Jurassic (Bajocian-Bathonian) radiolarites are found in original sedimentary contact with arc-derived greenstones. Late Jurassic black detrital chert possibly formed in a marginal (fore-arc?) basin shortly before subduction. A phengite 40Ar/39Ar -cooling age dates the exhumation of the high pressure rocks as 139 Ma. The El Castillo Mélange (ECM) is composed of serpentinite matrix with OIB metabasalts and Late Triassic (Rhaetian) red and green radiolarite blocks. Recent studies of the DSDP Legs 67/84 show that the Guatemala/Nicaragua fore-arc basin is composed of a pile of ultramafic, mafic (OIB-like) and arc related rocks with ages ranging from Late Triassic to Campanian. Finally, the Santa Elena peridiotites that mark the limit of the MCOT with the Manzanillo/Nicoya Terranes and correspond to an association of ultramafic rocks that comprise peridiotites, dunites and chromites of abyssal and fore-arc origin. The SSM is the result of a collision between a Middle Jurassic island arc and the Patuca Terrane, a fragment of the Western N-American active continental margin. The Siuna Mélange (SSM) and the South Montagna Mélange share common characteristics with the Pacific N-American suture zone (E-Franciscan and Vizcaino mélanges), in particular, the Mesozoic ages of HP/LT metamorphic and the arc-derived blocks. For us, these mélanges imply an originally continuous, but slightly diachronous suture that affected the entire W-American active margin. It may imply the arrival and collision of an exotic intraoceanic arc (Guerrero-Phoenix) related to the origin of the Pacific Plate that initiated as a back arc basin of this arc. The present disposition of the fragments of this suture zone is the result of a northward shift of the active left-lateral strike slip motion between the N-American and the Caribbean Plates. Résumé Le coin nord-ouest de la Plaque Caraïbe moderne se trouve en Amérique Centrale, entre le sud du Guatemala et le nord du Costa Rica. Cette région est composée d'un puzzle de terrains océaniques et continentaux dont les origines se situent sur la façade pacifique de l'Amérique du Nord. Au sud de la faille de Motagua, la limite septentrionale actuelle, décrochante, de la Plaque Caraïbe, se trouvent 3 copeaux continentaux (Copàn, Chortis s. str. et Patuca) coincés entre deux zones de suture complexes à roches mafiques et ultramafiques qui ont subi un métamorphisme de haute pression/basse température (HP/LT). Il s'agit des Mélanges de Motagua au nord, largement étudiés ces dernières années, et du Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT), récemment défini par nous, au sud. En vue de l'absence de données géologiques modernes concernant les terrains océaniques qui se trouvent dans la partie sud du "Chortis Block" considérée comme continentale, nous avons dédié cette étude à cette région. Classiquement, la limite méridionale entre le "Chortis Block" et la "Caribbean Large Igneous Province" (CLIP) a été associée à une faille hypothétique reliant la faille E-W de Santa Elena (nord du Costa Rica) à l'Escarpement de Hess. Notre étude au Nicaragua oriental et au Costa Rica nord-occidental a révélé l'existence de larges terrains composés d'assemblages de roches mantéliques et océaniques qui se placent entre les blocs continentaux Chortis/Patuca et le CLIP. Ces assemblages révèlent des terrains collisionnés et accrétés d'origine pacifique enregistrant une histoire tectonique polyphasée. Nous distinguons: 1- Le MCOT, un puzzle de roches océaniques d'arc d'âge Triassique supérieur au Crétacée inférieur, 2- Les terrains de Manzanillo et de Nicoya, des morceaux de plateaux océaniques associés à des sédiments océaniques plus âgés que le CLIP. Cette étude se focalisera sur les roches du MCOT. Le MCOT occupe la moitié sud de l'ancien "Chortis Block" et peut se définir par 4 localités de référence qui montrent des roches mafiques et ultramafiques océaniques d'âges compris entre le Trias supérieur et le Crétacée inférieur. 1- Le Siuna Serpentinite Mélange (NE-Nicaragua), 2- Le El Castillo Mélange (Nicaragua/Costa Rica border), 3- Le DSDP Legs 67/84 (Guatemala fore-arc basin) et 4- La Santa Elena Peridiotite (nord-ouest du Costa Rica). Le Siuna Serpentinite Mélange (SSM) est un mélange de subduction HP/BT dans une matrice de serpentinite. On y trouve des éléments de croûte océanique et d'arc insulaire en faciès de schistes verts et schistes bleus. Des radiolarites du Jurassique moyen se trouvent en contact sédimentaire sur des roches vertes d'arc. En revanche, des cherts noirs détritiques datent du Jurassique supérieur et sont probablement issus d'un bassin marginal (fore-arc ?) peu avant leur subduction, car un âge 40Ar/39Ar de refroidissement des phengites date l'exhumation des roches de haute pression à 139 Ma. Le Mélange d'El Castillo (ECM) est constitué d'une matrice serpentinitique et contient des blocs de metabasaltes OIB et des blocs de radiolarites du Trias terminal. Des études récentes ont repris les roches forées lors des DSDP Legs 67 et 84 et montrent que le soubassement du bassin d'avant-arc du Guatemala-Nicaragua est composé de roches ultramafiques et mafiques (OIB et arc), dont les âges isotopiques vont du Trias au Crétacé supérieur. Finalement, les péridiotites de Santa Elena forment la limite sud du MCOT par rapport aux terrains de Manzanillo et Nicoya. Elles contiennent des serpentinites et localement des dunites et chromites à affinité abyssale et de fore-arc. Le SSM témoigne d'une collision entre un arc insulaire d'âge Jurassique moyen et le Patuca Terrane, un fragment de la marge active nord-américaine. Le SSM et le South Motagua Mélange ont des caractéristiques en commun avec les zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord (E-Franciscan et Vizcaino mélanges), notamment les âges Mésozoïques du métamorphisme HP/BT et les blocs de roches d'arc. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine, mais légèrement diachrone. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc intraocéanique exotique (Guerrero-Phoenix) qui est à l'origine de la Plaque Pacifique qui s'ouvrait en back arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe. K. Flores, 2009 Mesozoic oceanic terranes of southern central America Résumé Grand Public La présente thèse est le résultat de travaux de terrain effectués de 2005 à 2008 au nord-est et au sud du Nicaragua et au nord du Costa Rica, en Amérique Centrale, des analyses pétrologiques et géochimiques en laboratoire ainsi que de la modélisation de l'évolution géodynamique. La région étudiée se situe en bordure nord - ouest de la Plaque Caraïbe moderne. Dans la majorité des publications récentes cette région est représentée comme un vaste bloc continental (le "Bloc Chortis") qui serait limité, (i) au nord, par la faille décrochante de Motagua, la limite actuelle entre la Plaque Nord-Américaine et la Plaque Caraïbe, et (ii) au sud, par une suture hypothétique qui se trouverait aux confins entre le Nicaragua et le Costa Rica. La région du Costa Rica a été considérée presque entièrement comme une partie du Plateau Caraïbe ("Caribbean Large Igneous Province" (CLIP)). L'étude détaillée des affleurements nous a permis de mettre en évidence : - Au nord-est du Nicaragua (Siuna) : Des roches océaniques datées du Jurassique moyen, grâce aux faunes à radiolaires qui ont été extraites des radiolarites rouges. Ces roches ont subi un métamorphisme de haute pression typique des zones de collision. L'étude radio-isotopique Ar/Ar a permis de dater la collision du Crétacé basal (139 Ma). - Au sud du Nicaragua : Des roches océaniques d'âge Trias terminal (200 millions d'années), également datées à l'aide de faunes à radiolaires. Il s'agit actuellement des roches océaniques les plus anciennes connues de l'Amérique Centrale. - L'étude géochimique et les âges des fossiles démontrent que le tiers septentrional du Costa Rica possède un soubassement construit d'au moins deux terrains (Nicoya et Manzanillo), qui ont des caractéristiques de Plateau océanique (Nicoya) et d'arc volcanique du Crétacé moyen (Manzanillo). Ces deux terrains sont plus anciens que le CLIP. En conclusion, nous constatons que la région étudiée est constituée d'un puzzle de 3 blocs continentaux et d'un vaste terrain océanique composite que nous appelons Mesquito Composite Oceanic Terrane (MCOT). En plus, nous définissons les terrains de Nicoya et de Manzanillo comme plus âgés et distincts du CLIP. Le MCOT est caractérisé par la présence de roches du manteau supérieur (les serpentinites) et de la croûte océanique, ainsi que des morceaux d'arcs, d'âge allant du Trias supérieur au Crétacé. Ce terrain est comparable à d'autres zones de suture de la façade pacifique de l'Amérique du nord, notamment en ce qui concerne les âges Mésozoïques, le métamorphisme de haute pression et l'association de roches mantéliques et crustales océaniques. Ce fait nous conduit à penser qu'il s'agit d'une grande zone de suture qui était à l'origine continue sur toute la marge ouest-américaine. Cette suture implique l'arrivée et la collision d'un arc infra-océanique exotique qui serait à l'origine de la Plaque Pacifique qui se serait ouverte en bassin d'arrière arc par rapport à celui-ci. La disposition actuelle des fragments de cette suture est due à la migration vers le nord du décrochement actif senestre entre la Plaque nord-américaine et la Plaque Caraïbe.

Biochemical characterization of FANCD2 and FANCM in the Fanconi Anaemia pathway

Abstract : The maintenance of genome stability is a challenge for all living organisms. DNA is regularly subjected to chemical alterations by both endogenous and exogenous DNA damaging agents. If left unrepaired, these lesions will create mutations or lead to chromosomal instability. DNA crosslinking agents probably bring about the most toxic lesions. By linking covalently the two strands of DNA, crosslinking agents will impede essential cellular processes such as replication and transcription. Cells from Fanconi anaemia patients are extremely sensitive to these agents. Fanconi anaemia (FA) is a rare chromosomal instability disorder that leads to developmental defects, pancytopenia and cancer susceptibility. FA is a genetically heterogeneous disease with thirteen complementation groups identified. Proteins encoded by the FA genes work together in the FA pathway. Eight of these proteins form the FA core complex (FANC-A, B, C,E, F, G, L and -M), whose integrity is required to monoubiquitinate FANCD2 and FANCI in response to DNA damage. The hypersensitivity of FA cells to crosslinking agents, which perturb the progression of replication forks, has led to the hypothesis that FA proteins play a crucial role in the response to replication stress. However, at the molecular level, the functions of the FA pathway remain largely unknown. Our efforts were first focused on the characterization of FANCD2, "the key effector of the FA pathway". Using different substrates, we found that in vitro, purified hFANCD2 preferentially binds single strand DNA and double strand DNA extremities. Concomitantly, FANCM was identified as a new component of the FA core complex. Moreover FANCM was shown to have specific branch migration activities and probably a role as a "landing platform" on DNA for the other components of the core complex. By using FANCM mutants carrying deletions within the internal domain, we investigated the role of FANCM as a DNA anchor protein for the core complex. We observed that indeed, a specific part of the internal domain of FANCM interacts with components of the core complex. Finally, in collaboration with Weidong Wang's lab we characterized two new components of the FA pathway: FAAP10 and FAAP16. As a heterodimer these two proteins show affinity for dsDNA, and anneal complementary oligonucleotides in vitro. Moreover these proteins can associate with FANCM via a part of its internal domain. We find that FANCM, FAAP 10 and FAAP 16 can co-exist on the branch point of replication and recombination intermediates, and that FAAP10 and FAAP16 stimulate replication fork reversal by FANCM. These results suggest that FANCM may function as a landing platform for the core complex. After loading on DNA, the core complex can activate FANCD2 through monoubiquitination leading to its recruitment to the site of damage. Since ssDNA and double strand breaks are intermediates that are generated as a consequence of collapsed replication forks, FANCD2 by binding to ds DNA ends and ssDNA could protect such structures from the recombination repair machinery and prevent unscheduled recombination events. Alternatively, FANCD2 could avoid nucleases from gaining access to collapsed forks, preserving the DNA in state that can be used as a starting point for resumption of DNA synthesis. The overall comprehension of the FA pathway is far from been complete. Our results unravel new aspects of Fanconi Anaemia, which hopefully in the near future will address keys questions leading to a better understanding of the fascinating Fanconi Anaemia. Résumé : Le maintien de l'intégrité du génome est fondamentale chez tous les organismes vivants. L'ADN est constamment altéré par des composés aussi bien endogènes qu'exogènes. Si ces altérations ne sont pas réparées, elles peuvent conduire à l'apparition de mutations, ainsi qu'à une instabilité génomique accrue. Les lésions les plus sévères qui peuvent survenir sur l'ADN, sont les pontages inter caténaires. Des agents pontants en liant de façon covalente les deux brins d'ADN, vont empêcher le déroulement normal de processus cellulaires essentiels tels que la réplication ou la transcription. La compréhension des mécanismes permettant à la cellule de tolérer et réparer ces lésions est primordiale, notamment dans le cas des patients atteints de l'anémie de Fanconi qui présentent une très grande sensibilité à ces composés pontants. L'anémie de Fanconi est une maladie génétique rare appartenant à un groupe de pathologies associées à une grande instabilité chromosomique. Les patients atteints de l'anémie de Fanconi présentent des malformations du squelette, une pancytopénie et une forte propension à la survenue de cancer. L'anémie de Fanconi est génétiquement très hétérogène. À ce jour, 13 gènes codant pour 13 protéines FANC différentes ont été identifiés. Huit de ces protéines fonctionnent ensemble au sein d'un complexe (nommé le complexe FANC) ayant pour but de monoubiquitiner FANCD2 et FANCI en réponse à la formation de lésions sur l'ADN. L'extrême sensibilité des cellules de patients atteints de l'anémie de Fanconi à ces agents pontant l'ADN suggère l'implication des protéines FANC dans la réponse cellulaire suite à une stress réplicatif. Cependant, le rôle moléculaire exact de ces protéines demeure encore inconnu. Après purification, nous avons observé que FANCD2 était capable de lier l'ADN simple brin, ainsi que les extrémités d'ADN in vitro. Dans le même temps, FANCM fut identifié comme appartenant au complexe FANC. FANCM est décrit comme une translocase capable de promouvoir le déplacement de point de jonction dans des structures d'ADN spécifiques in vitro. De plus, en se liant à l'ADN, FANCM peut agir comme une plateforme pour les autres protéines FANC, leur permettant ainsi d'être adressées à l'ADN. En créant des protéines FANCM recombinantes ayant des délétions dans le domaine interne, nous avons pu observer que certaines protéines du complexe FANC se fixent à des sites spécifiques sur le domaine interne de FANCM. Enfin, au travers d'une collaboration, nous avons été amenés à caractériser deux nouvelles protéines appartenant au complexe FANC : FAAP 10 et FAAP16. Elles s'associent à FANCM par l'intermédiaire du domaine interne, et forment ainsi un hétérotrimére. La présence de FAAP10 et FAAP16 n'affecte pas la liaison de FANCM à l'ADN, mais semble potentialiser son activité de régression in vitro. FANCM semble donc fonctionner comme une plateforme pour les autres composants du complexe FANC. Ces derniers, une fois liés à l'ADN permettent la monoubiquitination de FANCD2 et son recrutement au site lésé de l'ADN. FANCD2 en se liant de façon préférentielle à l'ADN simple brin et aux extrémités d'ADN qui sont générés lors de l'arrêt et du démantèlement d'une fourche de réplication, pourrait protéger ces même fourches de réplication arrêtées, d'évènements de recombinaison aléatoires. Nos résultats apportent de nouveaux éléments concernant les mécanismes moléculaires de l'anémie de Fanconi. Enfin, l'étude de l'anémie de Fanconi permet aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en place par la cellule pour tolérer des lésions survenant lors de la réplication.

Molar substitution and C2/C6 ratio of hydroxyethyl starch: influence of blood coagulation

Résumé Cette étude a démontré l'effet individuel sur la coagulation sanguine humaine des deux principales caractéristiques de la molécule d'hydroxyéthylamidon (HES) : la substitution molaire et le rapport C2/C6. L'analyse par thrombélastographe (TEG®) indique que la molécule de HES dont la substitution molaire est de 0.42 et le rapport C2/C6 de 2.7 a le moins d'effet sur la coagulation sanguine chez l'être humain. Objectifs de l'étude Le développement d'hydroxyéthylamidons (HES) qui ont à la fois peu d'impact sur la coagulation sanguine et une longue persistance intravasculaire est d'un grand intérêt clinique. Une précédente étude in vitro a démontré qu'une solution de HES de haut poids moléculaire et de bas degré de substitution molaire ne compromettait pas plus la coagulation sanguine qu'une solution HES de poids moléculaire moyen (1). La présente étude examine l'effet individuel de la substitution molaire et du rapport C2/C6 d'une solution de HES de haut poids moléculaire (700 kDa) sur la coagulation sanguine. Matériel et méthode Nous avons prélevé du sang chez 30 adultes en bonne santé; le sang a été mélangé avec 6 solutions de HES qui diffèrent par leur degré de substitution molaire (0.42 et 0.51) et leur rapport C2/C6 (2.7, 7 et 14) à trois degrés de dilution : 20%, 40% et 60%. Les échantillons ont ensuite été analysés par thrombélastographe. Les données ont été étudiées par analyse de variance à trois voies pour mesures répétées sur une voie (dilution). Résultats Plus la substitution molaire est élevée, plus la coagulation sanguine est compromise et ce concernant tous les paramètres du TEG® (tous les p sont < à 0.05). La solution HES avec le rapport C2/C6 le plus bas a l'effet le moins prononcé sur le temps r (p<0.001), l'angle α (p=0.003) et l'Index de Coagulation CI (p<0.001) ; on n'a pas observé d'effet sur le temps k (p=0.513) et l'amplitude maximale (p=0.699) concernant ce paramètre. Conclusion L'analyse par thrombélastographe révèle qu'une molécule de HES avec une substitution molaire de 0.42 et un rapport C2/C6 de 2.7 a un effet minimal sur la coagulation sanguine humaine in vitro.

Identification des dermatophytes causant des teignes de la peau glabre (Tinea glabra) et du cuir chevelu (Tinea capitis) par PCR

Contexte: Le nombre de teignes du cuir chevelu et de la peau glabre étant en nette augmentation, l'identification du pathogène qui est indispensable pour un traitement ciblé, a, par conséquence, un grand intérêt pour la santé publique. Dans divers cas, un animal de compagnie peut être identifié en tant que source du pathogène. La fréquence de cultures restant stériles est particulièrement élevée en cas de prétraitement antifongique. Objectif: Le but de ce travail est de mettre au point une méthode rapide d'identification du dermatophyte pathogène in situ par PCR/séquençage dans les cas de teignes du cuir chevelu et/ou de la peau glabre. Matériel et méthodes : De l'ADN a été extrait de squames (N=5) et cheveux (N=21) dont l'examen direct démontrait une infection fongique (N=26) ou se révèlait négatif (N=1). Ensuite, une première PCR du segment 28s de l'ADN ribosomale fongique a été effectuée, suivie par une PCR nichée intérieure à ce segment. L'amplicon a été séquencé et le champignon est identifié par alignement. Résultats : Seule la PCR enchainée a permis d'obtenir une quantité suffisante d'amplicon pour permettre le séquençage. Dans 4 cas sur 5 de tinea pedis, 10 sur 12 de tinea glabra, respectivement 4 sur 4 de tinea capitis, dans lesquels un dermato- phyte a été identifié en culture, le même dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Une fois sur 27 prélèvements, un autre dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Ce résultat pourrait être dû à une fausse identification du champignon en culture. Dans un cas de tinea pedis et un cas de tinea corporis, la culture est restée stérile, mais un dermatophyte a pu être identifié par PCR et séquençage. Conclusions : La méthode décrite est à la fois rapide (24 h au lieu de deux semaines pour la culture), sensible et très spécifique. Elle est particulièrement utile dans les cas de teigne du cuir chevelu, dans lesquels le traitement est différent selon l'espèce de dermatophyte et où il s'agit d'un traitement systémique lourd, souvent chez l'enfant.

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

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