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.

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 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.

Les séquences d'insertion sont des parasites moléculaires d'ADN codant uniquement pour leur machinerie de transposition et sont retrouvées majoritairement dans les génomes et les plasmides des procaryotes. Le séquençage génomique massif de la dernière décennie nous a permis de détecter chez des souches bactériennes cliniques plusieurs gènes de résistance aux antibiotiques associés aux séquences d'insertion sous forme de transposons composés. Il a été suggéré que les séquences d'insertion jouent un rôle prépondérant dans l'évolution bactérienne et qu'elles possèdent un pouvoir recruteur permettant de sélectionner, réorganiser et propager des gènes conférant un avantage sélectif à l'hôte. Nous avons partiellement caractérisé le potentiel recruteur de deux séquences d'insertion associées à des gènes de résistance, la séquence IS26 de Proteus vulgaris et la séquence ISJO de Salmonella typhimurium, en observant les étapes de recrutement d'un gène chromosomique et leurs distributions épidémiologiques en consultant les banques de données. / Insertion sequences are DNA molecular parasites encoding exclusively their transposition function, and are mainly found within the genomes and plasmids of prokaryotic organisms. The massive genomic sequencing we have witnessed in the last decade has allowed us to detect in clinical bacterial isolates many antibiotic resistance genes associated with insertion sequences in the form of composite transposons. It has been suggested that insertion sequences may act as a primary modulator of bacterial evolution, and that they possess a recruitment capacity allowing them to select, reorganize and spread genes encoding adaptation functions for their hosts. We have partially characterized the recruitment potential of two insertion sequences well known for their association with antibiotic resistance genes, IS10 from Salmonella typhimurium and 1S26 from Proteus vulgaris, by observing the steps involved in the recruitment process of a chromosomal gene and their epidemiological distribution by consulting various databanks.