Ma thèse vise à caractériser l’évolution dynamique et l’organisation des génomes des différentes espèces du blé (genres Triticum et Aegilops) en relation avec la prolifération des éléments transposables (TEs) dans leur génome (>80%), les polyploïdisations récurrentes ainsi que la syntenie avec d’autres espèces de la famille des Poaceae. En constituant des sets de séquences génomiques représentatives et en étudiant la variabilité entre des haplotypes des génomes du blé, j’ai caractérisé la dynamique et la prolifération différentielle des TEs qui est la résultante de l’équilibre entre leurs insertions et aussi leurs éliminations actives. Le taux moyen de remplacement de l’espace TEs, mesurant les différences de séquences dues aux insertions et aux délétions entre deux haplotypes, a été ainsi estimé à 86% par million d’années (Ma) et dépasse celles bien documentées du maïs. Les insertions des TEs mais aussi leurs éliminations par recombinaisons illégitimes de l’ADN (pouvant atteindre plusieurs dizaines de kb) ainsi que les recombinaisons génétiques entre haplotypes divergents représentent les principaux mécanismes à la base des changements rapides de l’espace TEs. Sur une échelle d’évolution plus longue (60 Ma), j’ai analysé la conservation des gènes et l’évolution du locus (Ha) entre différentes espèces des Poaceae. J’ai pu ainsi préciser l’émergence du caractère grain tendre et des gènes Ha, comme nouveaux membres de la famille des gènes de Prolamine, dans l’ancêtre commun des Pooideae (blé et Brachypodium, de la tribu des Triticeae et des Brachypodieae) et des Ehrhartoideae (riz), après leur divergence des Panicoideae (maïs, sorgho). / My PhD aims to characterize dynamic evolution and organization of wheat genomes from différent species (Triticum and Aegilops genera) in relation to transposable element (TE) proliferation in their genomes (>80%), polyploidizations and synteny with other Poaceae species. By constituting and comparing representative genomic sequences and analyzing haplotype variability of the wheat genomes, I have characterized dynamics and differential proliferation of TEs, as resulting from the combinations of their insertions and deletions. Mean replacement rate of the TE space, which measures sequence differences due to insertion and removal of TEs between two haplotypes, was estimated to 86% per one million year (My). This is more important than the well-documented haplotype variability found in maize. It was observed that TE insertions and DNA elimination by illegitimate recombination (implicating several ‘tens’ of kb) as well as homologous recombination between divergent haplotypes represent the main molecular basis for rapid change of the TE space. At a longer evolutionary scale (60 My), I have compared gene conservation at the Ha locus region between different Poaceae species. The comparative genome analysis and evolutionary comparison with genes encoding grain reserve proteins of grasses suggest that an ancestral Ha-like gene emerged, as a new member of the Prolamin gene family, in a common ancestor of the Pooideae (wheat and Brachypodium from the Triticeae and Brachypodieae tribes) and Ehrhartoideae (rice), between 60 and 50 My, after their divergence from Panicoideae (Sorghum).

Les éléments transposables (TEs) sont des séquences d'ADN répétées dispersées pouvant se propager au sein d'un génome hôte. Selon l'hypothèse du choc génomique proposée par McClintock en 1984, l'hybridation de deux espèces constituerait une source de stress pouvant perturber les mécanismes de contrôles des TEs et causer leur activation. Bien que de récentes études réalisées chez la levure, un champignon modèle, aient montré que les TEs ne se transposent pas davantage dans un génome hybride, les TEs pourraient tout de même montrer des signes de dérégulation au niveau moléculaire. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de déterminer si l'expression globale des familles de TEs est plus élevée chez les hybrides que chez leurs espèces parentales. À partir de données de séquençage d'ARN d'hybrides de levures du genre Saccharomyces disponibles publiquement, nous avons effectué une analyse d'expression différentielle de leurs TEs. Nos analyses des niveaux d'ARNm montrent que les TEs ne sont généralement pas différentiellement exprimés chez les hybrides, même si ces derniers sont exposés à une condition de stress de basse température. Seulement 2 familles de TEs sur 26 montrent une expression significativement supérieure chez les hybrides. Globalement, nos résultats ne soutiennent pas l'hypothèse que l'hybridation pourrait déclencher systématiquement l'expression des TEs chez la levure et suggèrent que l'impact de l'hybridation sur l'activité des TEs est spécifique à chaque souche et TE. / Transposable elements (TEs) are dispersed repeated DNA sequences that can propagate within a host genome. According to the genomic shock hypothesis proposed by McClintock in 1984, the hybridization of two species constitutes a source of stress that could disrupt the control mechanisms of TEs and cause their activation. Although recent studies in yeast, a model fungus, have shown that TEs do not transpose more in a hybrid genome, TEs could still show signs of deregulation at the molecular level. The objective of this master's project is therefore to determine whether the overall expression of TE families is higher in hybrids than in their parental species. Using publicly available RNA sequencing data from yeast hybrids of the genus Saccharomyces, we performed a differential expression analysis of their TEs. Our analyses of mRNA levels show that TEs are generally not differentially expressed in hybrids, even when exposed to a low temperature stress. Only 2 TEs families out of 26 show significantly higher expression in hybrids. Overall, our results do not support the hypothesis that hybridization systematically triggers TEs expression in yeast and suggest that the impact of hybridization on TEs activity is strain and TE specific.

Les éléments transposables (TEs) sont des séquences d'ADN répétées dispersées pouvant se propager au sein d'un génome hôte. Selon l'hypothèse du choc génomique proposée par McClintock en 1984, l'hybridation de deux espèces constituerait une source de stress pouvant perturber les mécanismes de contrôles des TEs et causer leur activation. Bien que de récentes études réalisées chez la levure, un champignon modèle, aient montré que les TEs ne se transposent pas davantage dans un génome hybride, les TEs pourraient tout de même montrer des signes de dérégulation au niveau moléculaire. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de déterminer si l'expression globale des familles de TEs est plus élevée chez les hybrides que chez leurs espèces parentales. À partir de données de séquençage d'ARN d'hybrides de levures du genre Saccharomyces disponibles publiquement, nous avons effectué une analyse d'expression différentielle de leurs TEs. Nos analyses des niveaux d'ARNm montrent que les TEs ne sont généralement pas différentiellement exprimés chez les hybrides, même si ces derniers sont exposés à une condition de stress de basse température. Seulement 2 familles de TEs sur 26 montrent une expression significativement supérieure chez les hybrides. Globalement, nos résultats ne soutiennent pas l'hypothèse que l'hybridation pourrait déclencher systématiquement l'expression des TEs chez la levure et suggèrent que l'impact de l'hybridation sur l'activité des TEs est spécifique à chaque souche et TE. / Transposable elements (TEs) are dispersed repeated DNA sequences that can propagate within a host genome. According to the genomic shock hypothesis proposed by McClintock in 1984, the hybridization of two species constitutes a source of stress that could disrupt the control mechanisms of TEs and cause their activation. Although recent studies in yeast, a model fungus, have shown that TEs do not transpose more in a hybrid genome, TEs could still show signs of deregulation at the molecular level. The objective of this master's project is therefore to determine whether the overall expression of TE families is higher in hybrids than in their parental species. Using publicly available RNA sequencing data from yeast hybrids of the genus Saccharomyces, we performed a differential expression analysis of their TEs. Our analyses of mRNA levels show that TEs are generally not differentially expressed in hybrids, even when exposed to a low temperature stress. Only 2 TEs families out of 26 show significantly higher expression in hybrids. Overall, our results do not support the hypothesis that hybridization systematically triggers TEs expression in yeast and suggest that the impact of hybridization on TEs activity is strain and TE specific.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les éléments mobiles de l’ADN, des séquences capables de transfert intracellulaire ou extracellulaire, existent dans la plupart des génomes (eucaryotes ou procaryotes). Ce sont des vecteurs importants de variation génétique. Certains portent des gènes accessoires qui procurent un avantage sélectif à leur organisme-hôte. Les séquences d’insertion (IS) sont un cas spécial d’éléments mobiles bactériens. Elles sont exemptes de gènes accessoires, mais autonomes pour leur transposition. Elles peuvent donc causer des variations structurales, ce qui peut perturber les fonctions de la bactérie-hôte. Néanmoins, la plupart des génomes bactériens portent plusieurs copies de différentes familles d’IS. Plusieurs hypothèses, allant du parasitisme des IS à une forme de commensalisme IS-bactérie, ont été formulées pour expliquer la persistance de ces éléments mobiles dans les génomes. Aeromonas salmonicida ssp. salmonicida, l’agent étiologique de la furonculose chez les salmonidés, est un modèle intéressant pour étudier les IS. Son génome possède plusieurs familles d’IS présentes en différents nombres de copies. De plus, des travaux réalisés précédemment ont montré que ces éléments mobiles étaient responsables de variations structurales dans les plasmides de la bactérie et de l’inactivation de certains de ses facteurs de virulence. Bien que les évènements mentionnés ci-dessus semblent neutres ou désavantageux, il n’est pas exclu que certains évènements impliquant les IS puissent apporter un avantage adaptatif à la bactérie. L’objectif de cette thèse était donc d’explorer les éléments mobiles du génome d’A. salmonicida ssp. salmonicida, en portant une attention particulière aux IS, afin d’identifier des évènements à répercussion bénéfique pour la bactérie. La richesse d’information et l’accessibilité grandissante du séquençage à haut débit en ont fait une technique de choix pour étudier les IS et autres transposons en association avec un autre élément mobile essentiel à leur transmission intercellulaire, les plasmides. Une première étude a permis de découvrir des variants d’un grand plasmide d’A. salmonicida ssp. salmonicida, pAsa4, dont la forme de référence porte des gènes de résistance aux antibiotiques, des IS et un transposon. Les variants identifiés lors de l’étude, pAsa4b et pAsa4c, présentent des variations structurales par rapport à la référence. Elles ont des conséquences sur les gènes de résistance portés et sur la capacité de transfert des plasmides. La génomique comparative faite entre les pAsa4 suggère que les éléments mobiles tiennent un rôle primordial dans la création de certaines variations structurales, tant par leur capacité de transposition ou d’intégration que par leur propension à la recombinaison homologue. L’élargissement de la famille des pAsa4 à trois variants procure d’autres exemples de variabilité attribuable aux éléments mobiles de l’ADN. Dans une second temps, nous avons approfondi un évènement étudié précédemment : la perte du locus du système de sécrétion de type trois (SSTT). Cette région, située sur le grand plasmide pAsa5, peut être perdue lorsque A. salmonicida ssp. salmonicida est cultivée à 25°C. Dans certains cas, la recombinaison homologue d’IS flanquant les régions touchées avait été mise en cause. Dans le cadre de ce projet, le génome de la souche 01-B526, qui avait été utilisée pour générer des pAsa5 réarrangés, a été séquencé par une combinaison de technologies à courtes et à longues lectures. Un nouveau plasmide, pAsa9, ainsi qu’une nouvelle IS de pAsa5, ISAS5Z, ont été découverts. Ensemble, ces deux éléments ont permis de proposer un nouveau schéma de recombinaison homologue qui s’est avéré exact pour tous les réarrangements de pAsa5 générés lors de l’expérience précédente et considérés comme irréguliers. Ces nouveaux résultats permettent de regrouper tous les scénarios de réarrangement de pAsa5 sous un seul mécanisme, la recombinaison homologue entre IS, en plus d’ajouter une nouvelle entité au plasmidome d’A. salmonicida ssp. salmonicida. Plusieurs évènements ont donc été ajoutés au catalogue des variations structurales causées par les éléments mobiles de l’ADN d’A. salmonicida ssp. salmonicida. Dans les derniers chapitres de cette thèse, les conséquences de ces différents évènements sont discutées. Certaines variations sur pAsa4 apportent des gènes accessoires qui sont bénéfiques dans un environnement donné. Autrement, l’étude des éléments observés est limitée par le manque de connaissance sur les facteurs environnementaux qui causent ces variations et sur leur impact in vivo, chez le poisson. Quoi qu’il en soit, les IS du génome d’A. salmonicida ssp. salmonicida influencent certainement les relations hôte-pathogène de cette bactérie et participent intimement à son histoire évolutive. / Mobile genetic elements are sequences capable of intracellular and extracellular transfer. They exist in the majority of eukaryotic and prokaryotic genomes, and are important vectors of genetic variability. Some mobile genetic elements carry accessory genes that confer selective advantages to their host. Insertion sequences (IS), do not belong to the latter group, as they are exempt of accessory genes, yet they are autonomous in their transposition. ISs are thus important structural variation producers, which may endanger the host’s functions and its genomic integrity. However, most bacterial genomes carry ISs. Hypotheses ranging from parasitism to commensalism were formulated to explain how ISs persist in genomes. A. salmonicida subsp. salmonicida, the causative agent of furunculosis in salmonids, is a good model to study ISs. Its genome carries many ISs divided in different families. Moreover, previous work showed that these elements cause structural variations in plasmids and virulence factor inactivations. Even though the events observed to date seemed neutral or detrimental for the bacteria, we cannot exclude that ISs may procure an adaptative advantage in certain cases. This thesis’ objective was to explore the A. salmonicida subsp. salmonicida mobile genetic elements, especially ISs, to identify events with a positive outcome for the bacteria. ISs and transposons were studied in association with another mobile element accountable for their intercellular transfer, plasmids. High-throughput sequencing was used as a preferred method because of its growing availability and the richness of information it generates. In a first article, variants of a large plasmid that carries antibiotic resistance genes, pAsa4, were discovered. pAsa4b and pAsa4c display structural variations when compared to the reference plasmid that impact their antibiotic resistance genes and their conjugation capabilities. Comparative genomics between the three variants shows that mobile elements, either by transposition or recombination, have an important role in some variations. Adding two new members to the pAsa4 family of plasmids gave further examples of genetic diversity driven by mobile elements. In a second article, we investigated previous results concerning the type three secretion system (TTSS) loss. This is an essential virulence factor for A. salmonicida subsp. salmonicida, and its genes are mainly encoded in a single locus of the large plasmid pAsa5. The region can be lost when the bacterium is cultivated at 25°C or higher. In some cases, homologous recombinations between IS copies flanking the TTSS locus have been identified as causing the deletion. In this study, the genome of the strain 01-B526, which was used in a previous study to produce TTSS-negative mutants, was sequenced using Illumina and PacBio technologies. A new plasmid, named pAsa9, and a new pAsa5 IS, ISAS5Z, were discovered. Together, those elements permitted to build a new IS-driven homologous recombination model that was tested in the mutant strains. All TTSS-negative strains generated in previous study and that were not explained by other IS recombination patterns fitted with the new ISAS5 homologous recombination model. These results allowed to regroup all pAsa5 rearrangements under a consistent mechanism: recombination using IS copies as a template. In this thesis, more structural variation events involving ISs were uncovered. In the last chapters, their involvement in A. salmonicida subp. salmonicida fitness in vitro and in the fish host is discussed. Some variations in pAsa4 bring new resistance genes, which are beneficial for the bacteria in an aquaculture context. However, for most events, we lack situational information to properly conclude their fitness impact. Regardless, ISs of the A. salmonicida subp. salmonicida genome certainly influence host-pathogen relations and participate in the bacteria evolutive history.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 septembre 2023) / Les principes de la génétique mendélienne gouvernent l'essentiel de l'évolution des génomes et forment la base de la compréhension moderne de la génétique et de l'évolution. Les gènes encodés sur les chromosomes nucléaires sont répliqués exactement une fois par cycle cellulaire et ségrègent indépendamment durant la méiose. En contrepartie, certaines composantes des génomes eucaryotes échappent aux lois de la génétique mendélienne. Deux classes d'éléments génétiques non-mendéliens ubiquitaires sont les éléments transposables (TEs) et l'ADN mitochondrial (ADNmt). Les TEs sont des séquences capables de se répliquer de manière semi-autonome. Ce cycle de réplication distinct du reste du génome génère des copies additionnelles insérées à de nouveaux locus, formant des familles de séquences répétées. L'ADNmt est un génome cytoplasmique maintenu et exprimé dans les mitochondries qui est essentiel au métabolisme respiratoire. Les ADNmt se répliquent et ségrègent indépendamment du cycle cellulaire, ce qui rend possible l'hétérogénéité intracellulaire (hétéroplasmie) et de la ségrégation mitotique. L'hybridation cause le flux génétique entre des populations séparées et peut survenir entre des populations parentales avec divers degrés de divergence génétique. En raison de leurs dynamiques particulières, les éléments génétiques non-mendéliens peuvent avoir des conséquences profondes dans un contexte d'hybridation. Par exemple, les TEs peuvent être réactivés chez les hybrides en raison d'incompatibilités au niveau de leur régulation, menant à des effets délétères. L'évolution rapide des ADNmt entraîne une accélération de la coévolution avec les gènes du génome nucléaire, ce qui favorise l'émergence d'incompatibilités génétiques mitonucléaires qui peuvent compromettre les fonctions métaboliques mitochondriales chez les hybrides. Un objectif fondamental est d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique des éléments génétiques non-mendéliens en réponse à l'hybridation, particulièrement en fonction du degré de divergence évolutive séparant les génomes parentaux d'un génotype hybride. Notamment, une prédiction est qu'un plus haut degré de divergence renferme un potentiel supérieur pour les incompatibilités génétiques pouvant affecter les éléments génétiques non-mendéliens. Mes travaux de doctorat se concentrent sur l'évolution des TEs et des ADNmt dans les hybrides d'une espèce eucaryote modèle, la levure Saccharomyces paradoxus. Elle est l'espèce sœur de la levure Saccharomyces cerevisiae, qui est un modèle fondamental en biologie cellulaire, en génétique et en génomique. S. paradoxus est une espèce non-domestiquée structurée en plusieurs populations naturelles divergentes en Amérique du Nord, incluant des populations hybrides. La caractérisation des éléments génétiques non-mendéliens dans les populations naturelles permet d'inférer certains aspects de leur dynamique évolutive passée et récente. Une approche complémentaire est un type d'évolution expérimentale en laboratoire appelé accumulation de mutations (MA), qui minimise l'efficacité de la sélection naturelle et permet de caractériser l'évolution neutre des génomes. Le premier chapitre de ma thèse a testé l'hypothèse selon laquelle les populations hybrides accumulent davantage de TEs que leurs populations parentales. La caractérisation du contenu génomique en TEs dans les populations naturelles de S. paradoxus n'a révélé aucune trace de réactivation chez les hybrides. Nous avons réalisé une expérience d'évolution par MA à large échelle sur une diversité de génotypes hybrides entre les populations naturelles de S. paradoxus et S. cerevisiae. Cette expérience a montré que le degré de divergence entre les parents d'un hybride ne prédit pas le changement d'abondance des TEs. Le second chapitre de ma thèse a caractérisé la charge en TEs dans les lignées MA avec une grande résolution par l'emploi d'une technologie de séquençage à longues lectures. Ces données ont montré que la transposition a un rôle mineur dans l'évolution de la charge en TEs comparativement à d'autres formes de variation génomique structurale. Des essais de transposition in vivo ont montré que la mobilisation des TEs varie en fonction de plusieurs aspects spécifiques aux génotypes hybrides individuels. Le troisième chapitre de ma thèse a caractérisé la résolution de l'hétéroplasmie mitochondriale dans les lignées MA. Les résultats ont montré que le taux de recombinaison des ADNmt n'est pas prédit par le degré de divergence parentale des hybrides. Le taux de larges délétions mitochondriales causant la perte de fonction du métabolisme respiratoire était corrélé positivement avec le degré de divergence parentale, suggérant l'existence d'incompatibilités génétiques menant à l'instabilité de l'ADNmt. Ces travaux soulignent plusieurs aspects contre-intuitifs de la dynamique des éléments génétiques non-mendéliens chez les hybrides, notamment l'absence fréquente de relation avec la divergence parentale et des effets hautement spécifiques à certains génotypes hybrides individuels. / The principles of mendelian genetics govern the largest part of the evolution of genomes and constitute the basis of the modern understanding of genetics and evolution. Genes encoded on nuclear chromosomes are replicated exactly once per cell cycle and segregate independently during meiosis. In contrast, many components of eukaryotic genomes escape the laws of mendelian genetics. Two classes of ubiquitous non-mendelian genetic elements are transposable elements (TEs) and mitochondrial DNAs (mtDNAs). TEs are sequences capable of semi-autonomous replication. This replication cycle distinct from the rest of the genome generates additional copies at new insertion loci, creating families of repeated sequences. MtDNAs are cytoplasmic genomes maintained and expressed within mitochondria that are essential for respiratory metabolism. MtDNAs replicate and segregate independently from the cell cycle, which enables intracellular heterogeneity (heteroplasmy) and mitotic segregation. Hybridization causes gene flux between distinct populations, which can be separated by various levels of parental genetic divergence. Because of their singular dynamics, non-mendelian genetic elements can have profound consequences in the context of hybridization. For instance, TEs can be reactivated in hybrids as a consequence of incompatibilities in their regulation, leading to deleterious effects. The rapid evolution of mtDNAs accelerates the coevolution with interacting nuclear-encoded genes, which favors the emergence of mitonuclear genetic incompatibilities that can compromise mitochondrial metabolic functions in hybrids. A fundamental objective is to gain a better understanding of the dynamics of non-mendelian genetic elements in response to hybridization, especially as a function of the level of evolutionary divergence between the parental genomes of a hybrid genotype. Notably, one prediction is that higher divergence levels have superior potential for genetic incompatibilities that can affect non-mendelian genetic elements. The work presented in this thesis focuses on the evolution of TEs and mtDNAs in hybrids of a model eukaryotic species, the yeast Saccharomyces paradoxus. It is the sister species of the yeast Saccharomyces cerevisiae, a fundamental model species for cell biology, genetics and genomics. S. paradoxus is an undomesticated species structured in many divergent natural populations in North America, including many hybrid populations. The characterization of non-mendelian genetic elements in natural populations allows to infer certain aspects of their past and recent evolutionary dynamics. One complementary approach is a type of experimental evolution termed mutation accumulation (MA), which minimizes the efficiency of natural selection and enables the characterization of neutral genome evolution. The first chapter of my thesis tested the hypothesis stating that hybrid populations accumulate more TEs than their parental populations. The characterization of genomic TE content in natural populations of S. paradoxus revealed no evidence for reactivation in hybrids. We performed a large-scale evolution experiment by MA on a diversity of hybrid genotypes between natural populations of S. paradoxus and S. cerevisiae. This experiment showed that parental divergence levels cannot predict the resulting change in TE abundance. The second chapter of my thesis decomposed the TE load in MA lines at a high resolution with a long-read sequencing technology. These data showed that transposition has a minor role in TE load evolution in comparison to other types of structural genomic variation. In vivo transposition assays showed that TE mobilization is modulated by many aspects specific to individual hybrid genotypes. The third chapter of my thesis characterized the resolution of mitochondrial heteroplasmy in MA lines. The results showed that the recombination rate of mtDNAs is not predicted by the level of parental divergence in hybrids. The rate of large mtDNA deletions causing the loss of function of respiratory metabolism was positively correlated with the level of parental divergence, suggesting the existence of genetic incompatibilities leading to mtDNA instability. This work highlights many counter-intuitive aspects of the dynamics of non-mendelian genetic elements in hybrids, including the frequent absence of a relationship with parental divergence levels and effects that were highly specific to certain individual hybrid genotypes.

Les éléments transposables (ET) sont une source majeure de variation génétique, ce qui leur confère un rôle essentiel dans l’évolution des génomes. Certes présents dans tous les génomes analysés à ce jour, leurs proportions sont fortement variables entre espèces et aussi entre populations, suggérant une relation unique entre génome hôte et ET. Grâce à un système modèle composé de populations naturelles de deux espèces proches (Drosophila melanogaster et D. simulans) avec des quantités différentes en ET, nous avons pu comparer les relations génome hôte/ET. Nous nous sommes particulièrement interessés à l’élément helena qui, chez D. simulans, montre une activité faible, malgré un nombre de copies élevé.Cette activité moindre est associée à de nombreuses délétions internes des copies, suggérant un mécanisme de régulation d’ET par des délétions de l’ADN. Un autre système de régulation de l’activité des ET utilise le contrôle épigénétique, ce qui permet le maintien des copies d’ET dans le génome mais un blocage de leur activité. Le remodelage de la chromatine est un système épigénétique bien décrit chez la drosophile. Les régions chromatiniennes des génomes sont associées à différents types de modifications d’histone. Nous avons mis en évidence, dans des populations de D. melanogaster et D. simulans, une variation conséquente de modifications d’histones de type hétérochromatique, H3K27me3 et H3K9me2, associées àdes copies de différents ET. De plus, nous avons décrit des populations chez D. simulans dites déréprimées, chez lesquelles certains éléments sont surexprimés et présentent des localisations probablement hétéchromatiques. Les ET sont donc contrôlés par le génome hôte par des délétions internes et probablement par un système épigénétique variable. De plus, dans certaines populations, des copies peuvent échapper à ce contrôle et envahir le génome. Les ET sont donc des grands créateurs de variabilité génétique mais permettent aussi une territorialisation chromatinienne du génome car ils portent des modifications épigénétiques précises et sont capables de les étendre à leurs environnements génomiques. Ceci leur confére la fonction "d'épigénétique mobile". / Transposable elements (TEs) are one major force of genome evolution thanks to theirability to create genetic variation. TEs are ubiquitous and their proportion is variable between species and also populations, suggesting that a tight relationship exists between genomes and TEs. The model system composed of the natural populations of the twin sisters Drosophila melanogaster and D. simulans is interesting to compare host/TE relationship, since both species harbour different amounts of TE copies. The helena element is nearly silenced in D.simulans natural populations despite a very high copy number. Such repression is associated to abundant internally deleted copies suggesting a regulatory mechanism of TEs based on DNA deletion. Another pathway of TE regulation is through epigenetics where the host genome is able to keep intact the DNA sequences of TEs and still silence their activities.Chromatin remodelling is well known in drosophila and specific histone modifications can be associated to specific chromatin domains. We observed an important variation on H3K27me3and H3K9me2, two heterochromatic marks, on TE copies in D. melanogaster and D. simulans natural populations. Also, we show that derepressed lines of D. simulans exist for specific elements, have high TE transcription rates and are highly associated to non constitutive heterochromatic marks. TEs are therefore controlled by the host genome through DNA deletion and a possible chromatin remodelling mechanism. Not only genetic variability is enhanced by TEs but also epigenetic variability, allowing the host genome to be partitioned into chromatin domains. TEs are therefore mandatory to gene network regulation through their ability of “jumping epigenetics”.

Leptosphaeria maculans ‘brassicae’ (Lmb) est un champignon filamenteux de la classe des Dothideomycètes faisant partie du complexe d’espèces Leptosphaeria maculans-Leptosphaeria biglobosa composé d’agents pathogènes des crucifères. Lmb est particulièrement adapté au colza (Brassica napus) et provoque la maladie qui lui est la plus dommageable : la nécrose du collet. Dans le but de mieux comprendre et contrôler cette maladie, l’équipe d’accueil a initié un projet de génomique visant à identifier de façon systématique les gènes impliqués dans le pouvoir pathogène. Les premières données génomiques montraient deux aspects très importants et potentiellement spécifiques de Lmb : (i) tous les gènes d'avirulence caractérisés expérimentalement étaient localisés dans de grandes régions riches en bases AT et composées d'éléments transposables (ET), (ii) ces régions riches en AT préfiguraient une structure génomique particulière, qui, si elle se généralisait à l'ensemble du génome, aurait été totalement inédite chez un micro-organisme eucaryote. La première partie de cette thèse présente la description du génome de Lmb en se focalisant sur sa structure en isochores, résultant d’une invasion du génome par des ET qui ont ensuite été inactivés par un mécanisme de défense spécifique aux champignons ascomycètes, le RIP (Repeat-Induced Point mutation). Puis, l’impact potentiel de cette structure sur la diversification et l’évolution des protéines jouant un rôle clé lors de l’interaction agent pathogène-plante a été évalué, mettant ainsi en avant l’existence d’un génome à « deux vitesses ». Afin de mieux comprendre le rôle potentiel joué par les ET au niveau des capacités d’adaptation de Lmb au colza, une étude de génomique comparative et évolutive de cinq membres du complexe d’espèces a été réalisée. Ce travail montre que Lmb est la seule espèce du complexe dont le génome a été envahi par les ET, et que ces derniers sont impliqués dans (i) des réarrangements intrachromosomiques potentiellement liés à la spéciation entre Lmb et l’espèce la plus proche, (ii) la présence de gènes espèce-spécifiques et (iii) des déplacements dans des régions génomiques très dynamiques de gènes codant des effecteurs. Les travaux constituant cette thèse participent à la généralisation du concept selon lequel un lien fort existe chez les champignons filamenteux phytopathogènes entre ET et gènes impliqués dans la pathogenèse ou l’adaptation à l’hôte. / Leptosphaeria maculans ‘brassicae’ (Lmb) is a filamentous ascomycete from class Dothideomycetes. It belongs to the Leptosphaeria maculans-Leptosphaeria biglobosa species complex which comprises pathogens of crucifers. Lmb is specifically adapted to oilseed rape (Brassica napus) and is responsible for the most damaging disease of this crop: “stem canker”. In order to better understand and control the disease, the host team initiated a genomic project aiming at systematically identify genes involved in pathogenicity, analyse genome plasticity and evaluate their incidence on adaptability to host. Preliminary genome data firstly showed that all characterized avirulence genes were localized in large AT-rich regions, mainly composed of Transposable Elements (TEs). In addition, these AT-rich regions were the first hints that the Lmb genome may present a very unusual structure compared to other microorganisms. The first part of this thesis describes the Lmb genome with a special focus on its isochore structure, which is the result of a massive TE invasion of the genome followed by an inactivation of TEs by an ascomycete-specific defense mechanism called RIP (Repeat-Induced Point mutation). The potential impacts of this genome structure on diversification and evolution of proteins involved in the plant-pathogen interaction were assessed and highlighted the existence of a “two speed” genome. To better understand how TEs are involved in adaptation of Lmb towards oilseed rape, a comparative and evolutionary genomic analysis of five members of the species complex was conducted. This study shows that Lmb is the only species of the complex with genome invaded by TEs at such an extent, and that TEs are involved in (i) intrachromosomal rearrangements putatively related to the speciation event between Lmb and its closest relative species, (ii) the presence of species-specific genes, (iii) translocations of effector genes into highly dynamic genomic regions. Our data contribute to the generalization of the “two speed” genome concept in filamentous phytopathogens postulating that highly plastic regions of the genome are enriched in genes involved in niche adaptation and that a strong link exists between TEs and genes involved in pathogenesis or host adaptation.

Les éléments transposables (ETs) sont des séquences d’ADN capables de se déplacer au sein du génome. Ils sont trouvés chez la plupart des organismes vivants (45% du génome humain). Du fait de leur mobilité, ils créent des mutations et causent des pathologies (par exemple : Cancer, Hémophilie A ...), d’autres ont perdu leur capacité à transposer, on les nomme « séquences ancestrales ». Pour comprendre la régulation des éléments transposables, nous avons choisi la drosophile comme modèle animal car elle contient les différents types d’ETs trouvés chez l’Homme. Mon projet de thèse concerne l’élément I de la drosophile apparenté à la famille LINE (Long Interspersed Nucleotidic Element) chez les mammifères (20% du génome humain). Un croisement entre des mâles Inducteurs ‘I’ possédant des éléments I fonctionnels avec des femelles réactives ‘R’ qu’en sont dépourvus entraînera la forte mobilisation des éléments I dans les ovaires de la descendance femelle. Leur activation est à l’origine de la Dysgénésie des Hybrides du système I-R. Nos résultats précédents ont montré qu’on peut inhiber l’activité de I, en introduisant des fragments de I lui-même. Ce mécanisme pourrait être comparé à une «vaccination génétique». Plus tard, il a été montré que cette régulation implique une voie de l’ARN interférence, celle des piRNA (Piwi interacting RNA). D’autre part il a été démontré que HP1a, une protéine hétérochromatique, était impliquée dans la répression des ETs. De manière surprenante, mes résultats révèlent qu’un allèle de HP1a portant une mutation dans le chromodomaine (CD : Site d’interaction entre HP1a et H3K9me3) est capable de réduire l’activité de l’élément I et de restaurer la fertilité des femelles. Ce phénotype est corrélé avec une baisse significative des transcrits fonctionnels des éléments I. Des analyses par approches bio-informatiques indiquent l’interférence de la protéine HP1a mutée par son CD avec la voie des piRNAs. Cette interférence aboutit à la régulation de l’élément I et de la suppression de la dysgénésie des hybrides. / Transposable elements (TEs) are DNA sequences capable of moving within the genome. They are found in most living organisms (45% of the human genome). Because of their mobility, they create mutations and cause pathologies (for example: Cancer, Haemophilia A ...), others have lost their capacity to transpose, we call them "ancestral sequences". To understand the regulation of transposable elements, we have chosen Drosophila as an animal model because it contains the different types of TEs found in humans. My thesis project is to study the Drosophila element I related to the LINE family (Long Interspersed Nucleotidic Element) in mammals (20% of the human genome). A cross between Inductive 'I' males possessing functional I elements and reactive 'R' females without it will result in the strong mobilization of the I elements in the ovaries of the female offspring. Their activation is at the origin of the Hybrid Dysgenesis of the I-R system. Our previous results have shown that one can inhibit the activity of I by introducing fragments of I itself. This mechanism could be compared to a "genetic vaccination". Later, it was shown that this regulation involves a pathway of RNA interference, that of piRNA (Piwi interacting RNA). On the other hand it has been shown that HP1a, a heterochromatic protein was involved in the repression of ETs. Surprisingly, my results reveal that an HP1a allele carrying a mutation in the chromodomain (CD: Site of interaction between HP1a and H3K9me3) is able to reduce the activity of element I and to restore fertility in females. This phenotype is correlated with a significant decrease in the functional transcripts of the elements I. Bioinformatics analyzes indicate the interference of the HP1a protein mutated by its CD with the piRNAs pathway. This interference results in the regulation of the element I and the suppression of the dysgenesis of the hybrids.

Une grande partie du génome des eucaryotes est constituée d'éléments transposables(ET). Ces séquences d'ADN répétées ont la capacité de se déplacer d'un site chromosomiqueà un autre et de multiplier le nombre de leurs copies, pouvant ainsi être la cause d'uneinstabilité génétique. Face à ce potentiel de mutagénèse, un certain nombre de systèmes ontété sélectionnés dans les génomes eucaryotes qui conduisent à une réduction de l'activité desET. Notamment, chez la drosophile, on a récemment mis en évidence des mécanismes derégulation impliquant les modifications d'histones, et une nouvelle classe de petits ARN,appelés piARN, qui contrôlent spécifiquement les éléments transposables dans les tissusreproducteurs.tirant est un rétrotransposon à LTR de la drosophile, de type Gypsy, isolé au sein dulaboratoire dans les populations naturelles de D. simulans, où le nombre de ses copies estvariable entre populations. Cet ET possède la même structure génomique que les rétrovirus.Dans la première partie de cette thèse, j'ai caractérisé un élément tirant actif dans lespopulations naturelles de D. simulans. Je me suis intéressé en particulier au gène de laprotéine d'enveloppe (env), qui confère le caractère infectieux du rétrovirus. La comparaisondes transcrits et de la protéine du gène env entre populations de D. simulans a montré quetirant est actif dans une population, et cette activation est associée à sa mobilisation, alors quedans les autres populations tirant est présent, mais régulé.Dans la deuxième partie de mon travail, je me suis intéressé à l'étude de l'influence detirant sur la structure de la chromatine au niveau de son site d'insertion et à son influence surl'expression des gènes voisins. J'ai étudié trois modifications d'histones dans troispopulations naturelles, dont une où tirant est inséré dans un intron du gène tkv. Les résultatsobtenus montrent que tirant est capable de modifier la structure de la chromatine au niveau deson site d'insertion, mais aussi en amont, par l'hétérochromatinisation d'un promoteur du gènetkv, en affectant ainsi son taux de transcription.Enfin, je me suis intéressé à la régulation post-transcriptionnelle de tirant par lespiARN. Par l'analyse de croisements intraspécifiques entre des souches contenant ou non descopies de tirant dans l'euchromatine, j'ai montré qu'une régulation post-transcriptionnelle parles piARN germinaux qui contrôle tirant dans les cellules folliculaires de l'ovaire. J'ai aussipu montrer une expression variable entre populations des gènes de la voie piARN.