Using clusters of computers for large QU-GENE simulation experiments

The QU-GENE Computing Cluster (QCC) is a hardware and software solution to the automation and speedup of large QU-GENE (QUantitative GENEtics) simulation experiments that are designed to examine the properties of genetic models, particularly those that involve factorial combinations of treatment levels. QCC automates the management of the distribution of components of the simulation experiments among the networked single-processor computers to achieve the speedup.

Power of the joint segregation analysis method for testing mixed major-gene and polygene inheritance models of quantitative traits

Understanding the genetic architecture of quantitative traits can greatly assist the design of strategies for their manipulation in plant-breeding programs. For a number of traits, genetic variation can be the result of segregation of a few major genes and many polygenes (minor genes). The joint segregation analysis (JSA) is a maximum-likelihood approach for fitting segregation models through the simultaneous use of phenotypic information from multiple generations. Our objective in this paper was to use computer simulation to quantify the power of the JSA method for testing the mixed-inheritance model for quantitative traits when it was applied to the six basic generations: both parents (P-1 and P-2), F-1, F-2, and both backcross generations (B-1 and B-2) derived from crossing the F-1 to each parent. A total of 1968 genetic model-experiment scenarios were considered in the simulation study to quantify the power of the method. Factors that interacted to influence the power of the JSA method to correctly detect genetic models were: (1) whether there were one or two major genes in combination with polygenes, (2) the heritability of the major genes and polygenes, (3) the level of dispersion of the major genes and polygenes between the two parents, and (4) the number of individuals examined in each generation (population size). The greatest levels of power were observed for the genetic models defined with simple inheritance; e.g., the power was greater than 90% for the one major gene model, regardless of the population size and major-gene heritability. Lower levels of power were observed for the genetic models with complex inheritance (major genes and polygenes), low heritability, small population sizes and a large dispersion of favourable genes among the two parents; e.g., the power was less than 5% for the two major-gene model with a heritability value of 0.3 and population sizes of 100 individuals. The JSA methodology was then applied to a previously studied sorghum data-set to investigate the genetic control of the putative drought resistance-trait osmotic adjustment in three crosses. The previous study concluded that there were two major genes segregating for osmotic adjustment in the three crosses. Application of the JSA method resulted in a change in the proposed genetic model. The presence of the two major genes was confirmed with the addition of an unspecified number of polygenes.

Evaluating plant breeding strategies by simulating gene action and dryland environment effects

Functional genomics is the systematic study of genome-wide effects of gene expression on organism growth and development with the ultimate aim of understanding how networks of genes influence traits. Here, we use a dynamic biophysical cropping systems model (APSIM-Sorg) to generate a state space of genotype performance based on 15 genes controlling four adaptive traits and then search this spice using a quantitative genetics model of a plant breeding program (QU-GENE) to simulate recurrent selection. Complex epistatic and gene X environment effects were generated for yield even though gene action at the trait level had been defined as simple additive effects. Given alternative breeding strategies that restricted either the cultivar maturity type or the drought environment type, the positive (+) alleles for 15 genes associated with the four adaptive traits were accumulated at different rates over cycles of selection. While early maturing genotypes were favored in the Severe-Terminal drought environment type, late genotypes were favored in the Mild-Terminal and Midseason drought environment types. In the Severe-Terminal environment, there was an interaction of the stay-green (SG) trait with other traits: Selection for + alleles of the SG genes was delayed until + alleles for genes associated with the transpiration efficiency and osmotic adjustment traits had been fixed. Given limitations in our current understanding of trait interaction and genetic control, the results are not conclusive. However, they demonstrate how the per se complexity of gene X gene X environment interactions will challenge the application of genomics and marker-assisted selection in crop improvement for dryland adaptation.

Future contributions of crop modelling - from heuristics and supporting decision making to understanding genetic regulation and aiding crop improvement

Crop modelling has evolved over the last 30 or so years in concert with advances in crop physiology, crop ecology and computing technology. Having reached a respectable degree of acceptance, it is appropriate to review briefly the course of developments in crop modelling and to project what might be major contributions of crop modelling in the future. Two major opportunities are envisioned for increased modelling activity in the future. One opportunity is in a continuing central, heuristic role to support scientific investigation, to facilitate decision making by crop managers, and to aid in education. Heuristic activities will also extend to the broader system-level issues of environmental and ecological aspects of crop production. The second opportunity is projected as a prime contributor in understanding and advancing the genetic regulation of plant performance and plant improvement. Physiological dissection and modelling of traits provides an avenue by which crop modelling could contribute to enhancing integration of molecular genetic technologies in crop improvement. Crown Copyright (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Simulating the effects of dominance and epistasis on selection response in the CIMMYT wheat breeding program using QuCim

Plant breeders use many different breeding methods to develop superior cultivars. However, it is difficult, cumbersome, and expensive to evaluate the performance of a breeding method or to compare the efficiencies of different breeding methods within an ongoing breeding program. To facilitate comparisons, we developed a QU-GENE module called QuCim that can simulate a large number of breeding strategies for self-pollinated species. The wheat breeding strategy Selected Bulk used by CIMMYT's wheat breeding program was defined in QuCim as an example of how this is done. This selection method was simulated in QuCim to investigate the effects of deviations from the additive genetic model, in the form of dominance and epistasis, on selection outcomes. The simulation results indicate that the partial dominance model does not greatly influence genetic advance compared with the pure additive model. Genetic advance in genetic systems with overdominance and epistasis are slower than when gene effects are purely additive or partially dominant. The additive gene effect is an appropriate indicator of the change in gene frequency following selection when epistasis is absent. In the absence of epistasis, the additive variance decreases rapidly with selection. However, after several cycles of selection it remains relatively fixed when epistasis is present. The variance from partial dominance is relatively small and therefore hard to detect by the covariance among half sibs and the covariance among full sibs. The dominance variance from the overdominance model can be identified successfully, but it does not change significantly, which confirms that overdominance cannot be utilized by an inbred breeding program. QuCim is an effective tool to compare selection strategies and to validate some theories in quantitative genetics.

Efficacy of Lentivirus-mediated and MUC1 antibody-targeted VP22-TK/GCV suicide gene therapy for ovarian cancer

Transfer of the herpes simplex virus type I thymidine kinase (HSV-TK) gene into tumor cells using virus-based vectors in conjunction with ganciclovir (GCV) exposure provides a potential gene therapy strategy for the treatment of cancer. Effective gene therapy,, depends on the efficient transfer and specific targeting of therapeutic genes and their protein products to target cells. The purpose of this study was to investigate the anti-tumor effect of Lentivirus-mediated and MUC1 antibody-targeted VP22-TK/GCV suicide gene therapy in animal models. Mouse models were generated with intraperitoneal injection of human epithelial ovarian cancer cells 3AO, which are MUC1-positive. HTV-1-based lentiviral vectors carrying VP22-TK or scFv-VP22-TK were prepared. The animals were injected intraperitoneally with lentivirus containing scFv-VP22-TK, VP22-TK followed by GCV treatment. Combined treatment of lentivirus-expressed scFv-VP22-TK or VP22-TK with GCV inhibited the proliferation and prolonged survival times compared with the control vector. The survival time of animals treated with scFv-VP22-TK/GCV was significantly longer than that of animals treated with VP22-TK/GCV (p = 0.006). Conclusion: Our results suggest that MUC1 antibody-targeted VP22-TK/GCV suicide gene therapy can efficiently inhibit ovarian tumor growth and increase survival in a nude mouse model of ovarian carcinoma. These data support the development of this method for human clinical trials.

Gene expression mapping in neuropathic pain : molecular plasticity in nociceptors and superficial dorsal horn

RESUME : La douleur neuropathique est le résultat d'une lésion ou d'un dysfonctionnement du système nerveux. Les symptômes qui suivent la douleur neuropathique sont sévères et leur traitement inefficace. Une meilleure approche thérapeutique peut être proposée en se basant sur les mécanismes pathologiques de la douleur neuropathique. Lors d'une lésion périphérique une douleur neuropathique peut se développer et affecter le territoire des nerfs lésés mais aussi les territoires adjacents des nerfs non-lésés. Une hyperexcitabilité des neurones apparaît au niveau des ganglions spinaux (DRG) et de la corne dorsale (DH) de la moelle épinière. Le but de ce travail consiste à mettre en évidence les modifications moléculaires associées aux nocicepteurs lésés et non-lésés au niveau des DRG et des laminae I et II de la corne dorsale, là où l'information nociceptive est intégrée. Pour étudier les changements moléculaires liés à la douleur neuropathique nous utilisons le modèle animal d'épargne du nerf sural (spared nerve injury model, SNI) une semaine après la lésion. Pour la sélection du tissu d'intérêt nous avons employé la technique de la microdissection au laser, afin de sélectionner une sous-population spécifique de cellules (notamment les nocicepteurs lésés ou non-lésés) mais également de prélever le tissu correspondant dans les laminae superficielles. Ce travail est couplé à l'analyse à large spectre du transcriptome par puce ADN (microarray). Par ailleurs, nous avons étudié les courants électriques et les propriétés biophysiques des canaux sodiques (Na,,ls) dans les neurones lésés et non-lésés des DRG. Aussi bien dans le système nerveux périphérique, entre les neurones lésés et non-lésés, qu'au niveau central avec les aires recevant les projections des nocicepteurs lésés ou non-lésés, l'analyse du transcriptome montre des différences de profil d'expression. En effet, nous avons constaté des changements transcriptionnels importants dans les nocicepteurs lésés (1561 gènes, > 1.5x et pairwise comparaison > 77%) ainsi que dans les laminae correspondantes (618 gènes), alors que ces modifications transcriptionelles sont mineures au niveau des nocicepteurs non-lésés (60 gènes), mais important dans leurs laminae de projection (459 gènes). Au niveau des nocicepteurs, en utilisant la classification par groupes fonctionnels (Gene Ontology), nous avons observé que plusieurs processus biologiques sont modifiés. Ainsi des fonctions telles que la traduction des signaux cellulaires, l'organisation du cytosquelette ainsi que les mécanismes de réponse au stress sont affectés. Par contre dans les neurones non-lésés seuls les processus biologiques liés au métabolisme et au développement sont modifiés. Au niveau de la corne dorsale de la moelle, nous avons observé des modifications importantes des processus immuno-inflammatoires dans l'aire affectée par les nerfs lésés et des changements associés à l'organisation et la transmission synaptique au niveau de l'aire des nerfs non-lésés. L'analyse approfondie des canaux sodiques a démontré plusieurs changements d'expression, principalement dans les neurones lésés. Les analyses fonctionnelles n'indiquent aucune différence entre les densités de courant tétrodotoxine-sensible (TTX-S) dans les neurones lésés et non-lésés même si les niveaux d'expression des ARNm des sous-unités TTX-S sont modifiés dans les neurones lésés. L'inactivation basale dépendante du voltage des canaux tétrodotoxine-insensible (TTX-R) est déplacée vers des potentiels positifs dans les cellules lésées et non-lésées. En revanche la vitesse de récupération des courants TTX-S et TTX-R après inactivation est accélérée dans les neurones lésés. Ces changements pourraient être à l'origine de l'altération de l'activité électrique des neurones sensoriels dans le contexte des douleurs neuropathiques. En résumé, ces résultats suggèrent l'existence de mécanismes différenciés affectant les neurones lésés et les neurones adjacents non-lésés lors de la mise en place la douleur neuropathique. De plus, les changements centraux au niveau de la moelle épinière qui surviennent après lésion sont probablement intégrés différemment selon la perception de signaux des neurones périphériques lésés ou non-lésés. En conclusion, ces modulations complexes et distinctes sont probablement des acteurs essentiels impliqués dans la genèse et la persistance des douleurs neuropathiques. ABSTRACT : Neuropathic pain (NP) results from damage or dysfunction of the peripheral or central nervous system. Symptoms associated with NP are severe and difficult to treat. Targeting NP mechanisms and their translation into symptoms may offer a better therapeutic approach.Hyperexcitability of the peripheral and central nervous system occurs in the dorsal root ganglia (DRG) and the dorsal horn (DH) of the spinal cord. We aimed to identify transcriptional variations in injured and in adjacent non-injured nociceptors as well as in corresponding laminae I and II of DH receiving their inputs.We investigated changes one week after the injury induced by the spared nerve injury model of NP. We employed the laser capture microdissection (LCM) for the procurement of specific cell-types (enrichment in nociceptors of injured/non-injured neurons) and laminae in combination with transcriptional analysis by microarray. In addition, we studied functionál properties and currents of sodium channels (Nav1s) in injured and neighboring non-injured DRG neurons.Microarray analysis at the periphery between injured and non-injured DRG neurons and centrally between the area of central projections from injured and non-injured neurons show significant and differential expression patterns. We reported changes in injured nociceptors (1561 genes, > 1.5 fold, >77% pairwise comparison) and in corresponding DH laminae (618 genes), while less modifications occurred in non-injured nociceptors (60 genes) and in corresponding DH laminae (459 genes). At the periphery, we observed by Gene Ontology the involvement of multiple biological processes in injured neurons such as signal transduction, cytoskeleton organization or stress responses. On contrast, functional overrepresentations in non-injured neurons were noted only in metabolic or developmentally related mechanisms. At the level of superficial laminae of the dorsal horn, we reported changes of immune and inflammatory processes in injured-related DH and changes associated with synaptic organization and transmission in DH corresponding to non-injured neurons. Further transcriptional analysis of Nav1s indicated several changes in injured neurons. Functional analyses of Nav1s have established no difference in tetrodotoxin-sensitive (TTX-S) current densities in both injured and non-injured neurons, despite changes in TTX-S Nav1s subunit mRNA levels. The tetrodotoxin-resistant (TTX-R) voltage dependence of steady state inactivation was shifted to more positive potentials in both injured and non-injured neurons, and the rate of recovery from inactivation of TTX-S and TTX-R currents was accelerated in injured neurons. These changes may lead to alterations in neuronal electrogenesis. Taken together, these findings suggest different mechanisms occurring in the injured neurons and the adjacent non-injured ones. Moreover, central changes after injury are probably driven in a different manner if they receive inputs from injured or non-injured neurons. Together, these distinct and complex modulations may contribute to NP.

Molecular mechanisms for the transcriptional regulation of the Connexin36 gene expression in insulin-secreting cells

Résumé Régulation de l'expression de la Connexin36 dans les cellules sécrétrices d'insuline La communication intercellulaire est en partie assurée via des jonctions communicantes de type "gap". Dans la cellule ß pancréatique, plusieurs observations indiquent que le couplage assuré par des jonctions gap formées parla Connexine36 (Cx36) est impliqué dans le contrôle de la sécrétion de l'insuline. De plus, nous avons récemment démontré qu'un niveau précis d'expression de la Cx36 est nécessaire pour maintenir une bonne coordination de l'ensemble des cellules ß, et permettre ainsi une sécrétion synchrone et contrôlée d'insuline. Le développement du diabète et du syndrome métabolique est partiellement dû à une altération de la capacité des cellules ß à sécréter de l'insuline en réponse à une augmentation de la glycémie. Cette altération est en partie causée par l'augmentation prolongée des taux circulant de glucose, mais aussi de lipides, sous la forme d'acides gras libres, et de LDL (Low Density Lipoproteins), particules assurant le transport des acides gras et du cholestérol dans le sang. Nous avons étudié la régulation de l'expression de la Cx36 dans différentes conditions reflétant la physiopathologie du diabète de type 2 et du syndrome métabolique et démontré qu'une exposition prolongée à des concentrations élevées de glucose, de LDL, ainsi que de palmitate (acide gras saturé le plus abondant dans l'organisme), inhibent l'expression de la Cx36 dans les cellules ß. Cette inhibition implique l'activation de la PKA (Proteine Kinase A), qui stimule à son tour l'expression du facteur de transcription ICER-1 (Inductible cAMP Early Repressor-1). Ce puissant répresseur se fixe spécifiquement sur un motif CRE (cAMP Response Element), situé dans le promoteur du gène de la Cx36, inhibant ainsi son expression. Nous avons de plus démontré que des cytokines pro-inflammatoires, qui pourraient contribuer au développement du diabète, inhibent également l'expression de la Cx36. Cependant, les cytokines agissent indépendamment du répresseur ICER-1, mais selon un mécanisme requérant l'activation de l'AMPK (AMP dependant protein kinase). Sachant qu'un contrôle précis des niveaux d'expression de la Cx36 est un élément déterminant pour une sécrétion optimale de l'insuline, nos résultats suggèrent que la Cx36 pourrait être impliquée dans l'altération de la sécrétion de l'insuline contribuant à l'apparition du diabète de type 2. Summary A particular way by which cells communicate with each other is mediated by gap junctions, transmembrane structures providing a direct pathway for the diffusion of small molecules between adjacent cells. Gap junctional communication is required to maintain a proper functioning of insulin-secreting ß-cells. Moreover, the expression levels of connexin36 (Cx36), the sole gap junction protein expressed in ß-cells, are critical in maintaining glucose-stimulated insulin secretion. Chronic hyperglycemia and hyperlipidemia exert deleterious effects on insulin secretion and may contribute to the progressive ß-cell failure linked to the development of type 2 diabetes and metabolic syndrome. Since modulations of the Cx36 levels might impair ß-cell function, the general aim of this work was to elucidate wether elevated levels of glucose and lipids affect Cx36 expression. The first part of this work was dedicated to the study of the effect of high glucose concentrations on Cx36 expression. We demonstrated that glucose transcriptionally down-regulates the expression of Cx36 in insulin-secreting cells through activation of the protein kinase A (PKA), which in turn stimulates the expression of the inducible cAMP early repressor-1 (ICER-1). This repressor binds to a highly conserved cAMP response element (CRE) located in the Cx36 promoter, thereby inhibiting Cx36 expression. The second part of this thesis consisted in studying the effects of sustained exposure to free fatty acids (FFA) and human lipoproteins on Cx36 levels. The experiments revealed that the most abundant FFA, palmitate, as well as the atherogenic low density lipoproteins (LDL), also stimulate ICER-1 expression, resulting in Cx36 down-regulation. Finally, the third part of the work focused on the consequences of long-term exposure to proinflammatory cytokines on Cx36 content. Interleukin-1 ß (IL-1 ß) inhibits Cx36 expression and its effect is potentialized by tumor necrosis factor α (TNFα) and interferon γ (IFNγ). We further unveiled that the cytokines effect on Cx36 levels requires activation of the AMP dependent protein kinase (AMPK). Prolonged exposures to glucose, palmitate, LDL, and pro-inflammatory cytokines have all been proposed to contribute to the development of diabetes and metabolic syndrome. Since Cx36 expression levels are critical to maintain ß-cell function, Cx36 down-regulation by glucose, lipids, and cytokines might participate to the ß-cell failure associated with diabetes development.

Implication of DNA methylation and PAX5 factor in the transcriptional regulation of hTERT, the human telomerase reverse transcriptase gene

RESUME La télomérase est une enzyme dite "d'immortalité" qui permet aux cellules de maintenir la longueur de leurs télomères, ce qui confère une capacité de réplication illimitée aux cellules reproductrices et cancéreuses. A l'inverse, les cellules somatiques normales, qui n'expriment pas la télomérase, ont une capacité de réplication limitée. La sous-unité catalytique de la télomérase, hTERT, est définie comme le facteur limitant l'activité télomérasique. Entre activateurs et répresseurs, le rôle de la méthylation de l'ADN et de l'acétylation des histones, de nombreux modèles ont été suggérés. La découverte de l'implication de CTCF dans la régulation transcriptionnelle de hTERT explique en partie le mécanisme de répression de la télomérase dans la plupart des cellules somatiques et sa réactivation dans les cellules tumorales. Dans les cellules télomérase-positives, l'activité inhibitrice de CTCF est bloquée par un mécanisme dépendent ou non de la méthylation. Dans la plupart des carcinomes, une hyperméthylation de la région 5' de hTERT bloque l'effet inhibiteur de CTCF, alors qu'une petite région hypométhylée permet un faible niveau de transcription du gène. Nous avons démontré que la protéine MBD2 se lie spécifiquement sur la région 5' méthylée de hTERT dans différentes lignées cellulaires et qu'elle est impliquée dans la répression partielle de la transcription de hTERT dans les cellules tumorales méthylées. Par contre, nous avons montré que dans les lymphocytes B normaux et néoplasiques, la régulation de hTERT est indépendante de la méthylation. Dans ces cellules, le facteur PAX5 se lie sur la région 5' de hTERT en aval du site d'initiation de la traduction (ATG). L'expression exogène de PAX5 dans les cellules télomérase-négatives active la transcription de hTERT, alors que la répression de PAX5 dans les cellules lymphomateuses inhibe la transcription du gène. PAX5 est donc directement impliqué dans l'activation de l'expression de hTERT dans les lymphocytes B exprimant la télomérase. Ces résultats révèlent des différences entre les niveaux de méthylation de hTERT dans les cellules de carcinomes et les lymphocytes B exprimant la télomérase. La méthylation de hTERT en tant que biomarqueur de cancer a été évaluée, puis appliquée à la détection de métastases. Nous avons ainsi montré que la méthylation de hTERT est positivement corrélée au diagnostic cytologique dans les liquides céphalorachidiens. Nos résultats conduisent à un modèle de régulation de hTERT, qui aide à comprendre comment la transcription de ce gène est régulée par CTCF, avec un mécanisme lié ou non à la méthylation du gène hTERT. La méthylation de hTERT s'est aussi révélée être un nouveau et prometteur biomarqueur de cancer. SUMMARY Human telomerase is an "immortalizing" enzyme that enables cells to maintain telomere length, allowing unlimited replicative capacity to reproductive and cancer cells. Conversely, normal somatic cells that do not express telomerase have a finite replicative capacity. The catalytic subunit of telomerase, hTERT, is defined as the limiting factor for telomerase activity. Between activators and repressors, and the role of DNA methylation and histone acetylation, an abundance of hTERT regulatory models have been suggested. The discovery of the implication of CTCF in the transcriptional regulation of hTERT in part explained the mechanism of silencing of telomerase in most somatic cells and its reactivation in neoplastic cells. In telomerase-positive cells, the inhibitory activity of CTCF is blocked by methylation-dependent and -independent mechanisms. In most carcinoma cells, hypermethylation of the hTERT 5' region has been shown to block the inhibitory effect of CTCF, while a short hypomethylated region allows a low transcription level of the gene. We have demonstrated that MBD2 protein specifically binds the methylated 5' region of hTERT in different cell lines and is therefore involved in the partial repression of hTERT transcription in methylated tumor cells. In contrast, we have shown that in normal and neoplastic B cells, hTERT regulation is methylation-independent. The PAX5 factor has been shown to bind to the hTERT 5'region downstream of the ATG translational start site. Ectopic expression of PAX5 in telomerase-negative cells or repression of PAX5 expression in B lymphoma cells respectively activated and repressed hTERT transcription. Thus, PAX5 is strongly implicated in hTERT expression activation in telomerase-positive B cells. These results reveal differences between the hTERT methylation patterns in telomerase-positive carcinoma cells and telomerase-positive normal B cells. The potential of hTERT methylation as a cancer biomarker was evaluated and applied to the detection of metastasis. We have shown that hTERT methylation correlates with the cytological diagnosis in cerebrospinal fluids. Our results suggest a model of hTERT gene regulation, which helps us to better understand how hTERT transcription is regulated by CTCF in methylation-dependant and independent mechanisms. Our data also indicate that hTERT methylation is a promising new cancer biomarker.

Genetic variability in Arbuscular Mycorrhizal Fungi : effect on gene transcription of "Oryza Sativa"

AbstractArbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) form obligate symbioses with the majority of land plants. These fungi influence the diversity and productivity of plants. AMF are unusual organisms, harbouring genetically different nuclei in a common cytoplasm (known as heterokaryosis). Genetic variability has been shown between AMF individuals coming from the same population. Recent findings showed that genetic exchange between genetically different AMF individuals was possible. Additionnaly, segregation was shown to occur at spore formation in AMF. These two processes were shown to increase genetic variability between AMF individuals.Because of the difficulty to study these organisms, almost nothing is known about the effect of intra-specific genetic variability in AMF on the plant transcriptome. The aim of this thesis was to bring insights into the effect of intra-specific genetic variability in AMF on plant gene transcription. We demonstrated that genetic exchange could influence expression of some symbiosis specific plant genes and the timing of the colonization of the fungi in plant roots. We also showed that segregation could have a large impact on plant gene transcription. Taken together, these results demonstrated that AMF intra-specific variability could profoundly affect the life of plants by altering various molecular pathways. Moreover, results obtained on rice open a field of research on AMF genetics in impromvment of growth in agricultural plants and should be taken into account for future experiments.RésuméLes champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment une symbiose obligatoire avec la majorité des plantes sur terre. Ces champignons peuvent influencer la diversité et la productivité des plantes avec lesquelles ils forment la symbiose. Les CEA sont des organismes particuliers de part le fait qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents (appelés hétérocaryosis) dans un cytoplasme commun. Il a été montré qu'il existait de la variabilité génétique intra-specific chez les CEA. De plus, des études recentes ont montré que l'échange génétique chez les CEA était possible entre des individus génétiquement différents tout comme la ségrégation qui a aussi été démontrée au moment de la formation des nouvelles spores chez les CEA. Ces deux processus ont été montrés comme pouvant créer aussi de la variabilité génétique intra-specific.Du fait de la difficulté de travailler avec les CEA et à cause de la nouveauté de ces recherches, très peu de choses sont connues sur l'effet de l'échange génétique et de la ségrégation chez les CEA sur les plantes, et particulièrement au niveau moléculaire. Le but de cette thèse a été d'apporter la lumière sur les effets de la viariabilité génétique intra-specific chez les CEA, sur la transcription des gènes chez la plante. Nous avons pu montrer que l'échange génétique pouvait avoir des effets sur l'expression de gènes spécifiques à cette symbiose mais aussi pouvait influencer le timing de colonisation des racines de plantes par les CEA. Nous avons aussi montré que la ségrégation pouvait grandement influencer le transcriptome complet de la plante, et pas seulement les voies métaboliques spécifiques à la symbiose comme cela avait été montré auparavant.L'ensemble de ces résultats démontre l'importance de la variation intra-specific chez les CEA sur les plantes et leur implication sur leur cycle de vie en changeant l'expression de voies métaboliques. De plus, ces résultats obtenus sur le riz ouvrent un champ de recherches sur les plantes destinées à l'agriculture et devraient être pris en compte pour des expériences futures.

Functional and molecular evolutionary analysis of the "Brevix Radix" gene family in mono-and dicotyledonous plants

ABSTRACTIn contrast to animals, plants cannot move from their place of birth and, therefore, need to adapt to their particular habitat in order to survive. Thus, plant development is remarkably plastic, making plants an ideal system for the isolation of genes that account for intraspecific natural variation and possibly environmental adaptation. However, to date, this approach mostly identified null alleles and missed mutations with subtle effects. For instance, BREVIS RADIX (BRX) has been isolated as a key regulator of root growth through a naturally occurring loss-of-function allele in the Arabidopsis thaliana accession Uk-1 and is the founding member of a highly-conserved plant-specific gene family.In this work, we show that a strong selective pressure is acting on the BRX gene family and dates back before the monocot-dicot divergence. However, functional diversification is observed mainly in dicotyledon BRX family genes and is correlated with acceleration in the evolutionary rates in the N-terminal regions. Population genetic data revealed that BRX is highly conserved across Arabidopsis accessions and presents signatures of adaptation. Interestingly, a seven amino acid deletion polymorphism in BRX sequence was found in a few accessions, which seems to be responsible for their enhanced primary root growth. Nevertheless, BRX might not only be active in the root, as suggested by its expression in the shoot. Indeed, leaves and cotyledons of brx mutants are significantly smaller than wild- type. This phenotype is a direct consequence of the absence of BRX function in the shoot rather than an indirect effect of an altered root system growth. Interestingly, cotyledons of brx plants reflect the same physiological defects as the root. Moreover, phenotypes in BRX gain-of-function plants, such as epinastic leaves and increased epidermal cell size, could be associated with an increase in leaf brassinosteroid content.Collectively, these results indicate that BRX contributes to local adaptation by ubiquitously regulating plant growth, probably through the modulation of brassinosteroid biosynthesis.RÉSUMÉContrairement à la plupart des animaux, les plantes ne peuvent se mouvoir et doivent ainsi s'adapter à leur environnement pour survivre. Pour cette raison, elles représentent un système idéal pour l'identification de gènes contribuant à la variation naturelle intra- spécifique, ainsi qu'à l'adaptation. Cependant, cette approche a, jusqu'à présent, surtout permis d'isoler des allèles nuls et non des mutations conférant des effets plus subtiles. C'est le cas du gène Β REVIS RADIX (BRX), un régulateur clé de la croissance racinaire, qui a été identifié grâce à un allèle non-fonctionnel présent dans l'accession naturelle d'Arabidopsis thaliana Uk-1. BRX et ses homologues des plantes mono- et dicotylédones forment une famille très conservée et spécifique aux plantes.Dans ce travail, nous démontrons que la famille de gènes BRX est soumise à une forte pression de sélection qui remonte avant la divergence entre mono- et dicotylédones. Cependant, une diversification fonctionnelle a été observée chez les gènes des dicotylédones et corrèle avec une accélération de la vitesse d'évolution dans leur région N- terminale. Une analyse génétique de différentes accessions naturelles d'Arabidopsis a révélé que BRX est hautement conservé et présente des signatures d'adaptation. Remarquablement, un polymorphisme de délétion de sept acides aminés a été détecté dans quelques accessions et a pour conséquence une plus forte croissance de la racine primaire. Néanmoins, il semble que le rôle de BRX ne se limite pas qu'à la racine, comme indiqué par son expression dans les parties aériennes de la plante. En effet, les mutants brx présentent des cotylédons et des feuilles significativement plus petits que le type sauvage, une conséquence directe de l'absence d'activité de BRX dans ces organes. Nous avons aussi noté que les cotylédons des mutants brx, à l'instar des racines, ont une perception altérée de l'auxine et peuvent être complémentés par l'application exogène de brassinostéroïdes. De plus, dans des plantes présentant un gain de fonction BRX, les feuilles sont épinastiques et les cellules de leur épiderme plus grandes. Ces phénotypes sont accompagnés d'une augmentation de la concentration de brassinostéroïdes dans les feuilles. Conjointement, ces résultats démontrent que BRX contribue à une adaptation locale de la plante par la régulation générale de sa croissance, probablement en modulant la biosynthèse des brassinostéroïdes.

Detection of four Plasmodium species in blood from humans by 18S rRNA gene subunit-based and specific real-time PCR assays

Résumé : Un nombre croissant de cas de malaria chez les voyageurs et migrants a été rapporté. Bien que l'analyse microscopique des frottis sanguins reste traditionnellement l'outil diagnostic de référence, sa fiabilité dépend considérablement de l'expertise de l'examinateur, pouvant elle-même faire défaut sous nos latitudes. Une PCR multiplex en temps réel a donc été développée en vue d'une standardisation du diagnostic. Un ensemble d'amorces génériques ciblant une région hautement conservée du gène d'ARN ribosomial 18S du genre Plasmodium a tout d'abord été conçu, dont le polymorphisme du produit d'amplification semblait suffisant pour créer quatre sondes spécifiques à l'espèce P. falciparum, P. malariae, P. vivax et P. ovale. Ces sondes utilisées en PCR en temps réel se sont révélées capables de détecter une seule copie de plasmide de P. falciparum, P. malariae, P. vivax et P. ovale spécifiquement. La même sensibilité a été obtenue avec une sonde de screening pouvant détecter les quatre espèces. Quatre-vingt-dix-sept échantillons de sang ont ensuite été testés, dont on a comparé la microscopie et la PCR en temps réel pour 66 (60 patients) d'entre eux. Ces deux méthodes ont montré une concordance globale de 86% pour la détection de plasmodia. Les résultats discordants ont été réévalués grâce à des données cliniques, une deuxième expertise microscopique et moléculaire (laboratoire de Genève et de l'Institut Suisse Tropical de Bâle), ainsi qu'à l'aide du séquençage. Cette nouvelle analyse s'est prononcé en faveur de la méthode moléculaire pour tous les neuf résultats discordants. Sur les 31 résultats positifs par les deux méthodes, la même réévaluation a pu donner raison 8 fois sur 9 à la PCR en temps réel sur le plan de l'identification de l'espèce plasmodiale. Les 31 autres échantillons ont été analysés pour le suivi de sept patients sous traitement antimalarique. Il a été observé une baisse rapide du nombre de parasites mesurée par la PCR en temps réel chez six des sept patients, baisse correspondant à la parasitémie déterminée microscopiquement. Ceci suggère ainsi le rôle potentiel de la PCR en temps réel dans le suivi thérapeutique des patients traités par antipaludéens. Abstract : There have been reports of increasing numbers of cases of malaria among migrants and travelers. Although microscopic examination of blood smears remains the "gold standard" in diagnosis, this method suffers from insufficient sensitivity and requires considerable expertise. To improve diagnosis, a multiplex real-time PCR was developed. One set of generic primers targeting a highly conserved region of the 18S rRNA gene of the genus Plasmodium was designed; the primer set was polymorphic enough internally to design four species-specific probes for P. falciparum, P. vivax, P. malarie, and P. ovale. Real-time PCR with species-specific probes detected one plasmid copy of P. falciparum, P. vivax, P. malariae, and P. ovale specifically. The same sensitivity was achieved for all species with real-time PCR with the 18S screening probe. Ninety-seven blood samples were investigated. For 66 of them (60 patients), microscopy and real-time PCR results were compared and had a crude agreement of 86% for the detection of plasmodia. Discordant results were reevaluated with clinical, molecular, and sequencing data to resolve them. All nine discordances between 18S screening PCR and microscopy were resolved in favor of the molecular method, as were eight of nine discordances at the species level for the species-specific PCR among the 31 samples positive by both methods. The other 31 blood samples were tested to monitor the antimalaria treatment in seven patients. The number of parasites measured by real-time PCR fell rapidly for six out of seven patients in parallel to parasitemia determined microscopically. This suggests a role of quantitative PCR for the monitoring of patients receiving antimalaria therapy.

Effects of epigenetic regulatory elements on telomeric gene expression

Transgene expression in eukaryotic cells strongly depends on the locus of integration in the host genome and often results in limited transcription level because of unfavorable chromatin structure at the integration site. Epigenetic regulators are DNA sequences which are believed to act on the chromatin structure and may protect transgenes from this so-called position effect. Despite being extensively used to increase transgene expression, the mechanism of action of many of these elements remains largely unknown. Here we evaluated different epigenetic regulatory DNA elements for their ability to protect transgene transcription at telomeres, a defined chromatin environment associated to low or inconsistent expression caused by the Telomere Position Effect (TPE). For the assessment of the effects of epigenetic regulators at telomeres, a novel dual reporter system had to be designed. Telomeric integration of the newly-developed dual reporter system carrying different epigenetic regulators showed that MARs (Matrix Attachment Regions), a UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element) or the chicken cHS4 insulator have strong barrier activity which prevented TPE from spreading toward the centromere, resulting in stable and in some cases increased expression of a telomeric-distal reporter gene. In addition, MARs and STAR element 40 resulted in an increase of cells expressing the telomeric-proximal reporter gene, suggesting also an anti-silencing effect. Chromatin immunoprecipitation assays revealed that at telomeres MARs actively promote the deposition of euchromatic histone marks, especially acetylation of both histone H3 and H4, which might be involved in MARs' barrier and transcriptional activator activities. Differently, the chromatin in proximity of the UCOE element was depleted of several repressive chromatin marks, such as trimethylated lysine 9 and lysine 27 on histone H3 and trimethylated lysine 20 of histone H4, possibly favoring the preservation of an open chromatin structure at the integration site. We conclude that epigenetic regulatory elements that may be used to enhance and sustain transgene expression have all a specific epigenetic signature which might be at the basis of their mechanism of action, and that a combination of different classes of epigenetic regulators might be advantageous when high levels of protein expression are required. - L'expression des transgènes dans les cellules eucaryotes est fortement influencée par leur site d'intégration dans le génome. En effet, une structure chromatinienne défavorable au niveau du site d'intégration peut fortement limiter le degré d'expression d'un transgène. Il existe toutefois des séquences d'ADN qui, en agissant sur la structure de la chromatine, permettent de limiter cet effet de position et, par conséquent, de promouvoir l'expression soutenue d'un transgène. Ces éléments génomiques, connus comme régulateurs épigénétiques, sont largement utilisés dans plusieurs domaines où une expression élevée et soutenue est requise, malgré un mode de fonctionnement parfois méconnu. Dans cette étude, j'ai évalué la capacité de différents régulateurs épigénétiques à protéger la transcription de transgènes au niveau des télomères, régions chromatiniennes bien définies qui ont été associées à un fort effet de silençage, connu comme «effet de position télomérique». Pour cela, un nouveau système à deux gènes rapporteurs a été développé. Lorsque des MARs (Matrix Attachment Regions, séquences d'ADN pouvant s'associer à la matrice nucléaire), un UCOE (Ubiquitous Chromatin-Opening Element, élément pouvant ouvrir la chromatine) ou l'isolateur génétique cHS4 (dérivé du locus de la β-globine de poulet) sont placés entre les deux gènes rapporteurs, une forte activité barrière bloquant la propagation de la chromatine répressive télomérique est observée, résultant en un plus grand nombre de cellules exprimant le gène télomérique-distal. D'autre part, une augmentation du nombre de cellules exprimant le gène télomérique-proximal, observée en présence des éléments MAR et STAR 40 (Stabilizing Anti-Repressor element 40, un élément pouvant prévenir la répression génique), suggère aussi un faible effet anti-silençage pour ces éléments. Des expériences d'immunoprécipitation de la chromatine démontrent qu'au télomère, les MARs favorisent l'assemblage de marqueurs de la chromatine active, surtout l'acétylation des histones H3 et H4, qui pourraient être à la base de l'activité barrière et de celle d'activateur transcriptionel. Différemment, la chromatine à proximité de l'élément UCOE est particulièrement pauvre en marqueurs de la chromatine silencieuse, comme la trimethylation des lysines 9 et 27 de l'histone H3, ainsi que la trimethylation de la lysine 20 de l'histone H4. Cela suggère que UCOE pourrait préserver une structure chromatinienne ouverte au site d'intégration, favorisant l'expression des gènes à sa proximité. En conclusion, les régulateurs épigénétiques analysés lors de cette étude ont tous montré une signature épigénétique spécifique qui pourrait être à la base de leurs mécanismes de fonctionnement, suggérant aussi qu'une utilisation d'éléments épigénétiques de classe différente dans un même vecteur d'expression pourrait être avantageuse lorsque de hauts et soutenus niveaux d'expression sont nécessaires.