Les homéoprotéines sont des facteurs de transcription morphogénétiques qui ont des fonctions cellulaire et non cellulaire-autonomes. Par exemple, En1 et En2 (Engrailed/En) sont importants pour le développement des neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA) et cruciaux pour leur maintien chez l'adulte. Les souris En1+/- présentent une dégénération progressive et spécifique des neurones mDA de la Substantia Nigra pars compacta (SNpc), rappelant la maladie de Parkinson. De plus, l'infusion d'En dans plusieurs modèles de la maladie sauve ces neurones. Dans le modèle MPTP, cela passe par l'augmentation de la traduction d'une sous-unité du complexe 1 de la mitochondrie, Ndufs1. Le but de ma thèse était de trouver d'autres mécanismes neuro-protecteurs d'En. En étudiant les souris En1+/-, nous avons montré que la neurodégénérescence est accompagnée de cassures d'ADN et d'une relaxation de la chromatine. Dans un modèle de fort stress oxydatif, on trouve un phénotype similaire mais accéléré, qui est guéri par En. L'amélioration de ces marqueurs majeurs du vieillissement après l'injection d'En renforce l'idée qu'il est un facteur anti-âge prometteur dans le traitement de la maladie de Parkinson. Les LINEs sont des rétrotransposons qui ont la capacité de se propager dans le génome, via un mécanisme de copier/coller. Bien que longtemps considérés comme silencieux, nous avons montré qu'ils sont exprimés dans la SNpc et suractivés par un fort stress oxydatif, entrainant cassures d'ADN et neurodégénération. Leur répression transcriptionnelle ou épigénétique par En pourrait expliquer l'activité protectrice de cette protéine dans des modèles de stress oxydatif progressifs ou forts. / Homeoproteins are morphogenetic transcription factors, which have cell and non-cell autonomous functions. For example, En1 and En2, collectively Engrailed (En), are important for midbrain dopaminergic (mDA) neuron development and crucial for their adult maintenance. En1+/- mice display a selective and progressive degeneration of the mDA neurons of the Substantia Nigra pars compacta (SNpc), reminiscent of Parkinson disease (PD). Furthermore, En infusion in the SNpc saves neurons in several models of the disease. In the case of MPTP, En-mediated neuroprotection partially necessitates its ability to upregulate the translation of Ndufs1, a subunit of the mitochondrial Complex I. The main aim of my thesis was to study additional neuroprotective pathways mediated by En. We first studied En1+/- mice and showed that neurodegeneration was accompanied by increased DNA damage and chromatin relaxation. In an acute oxidative stress model, similar but accelerated phenotypes were seen, which were antagonized by En injection. The En-mediated positive impact on these key hallmarks of ageing lends weight to the idea that En is a promising anti-ageing factor, possibly useful in the treatment of PD. Long interspersed nuclear elements (LINE-1) are a class of retrotransposons with the ability to multiply in the genome. Although considered silent, they are expressed in mouse mDA neurons and their expression is increased by an acute oxidative stress, leading to DNA damage and degeneration. Their direct repression by En allows us to propose that their transcriptional and/or epigenetic silencing explains part of En protective activity in mouse models of acute and progressive oxidative stress.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Comment le zygote acquiert la totipotence à partir de deux cellules complètement différenciées, et comment les décisions du destin cellulaire sont faites plus tard dans le développement sont des questions biologiques essentielles. Les études menées au cours de la première partie de mon doctorat ont contribué à l'annotation de la composition de la chromatine embryonnaire en ce qui concerne les variantes des histones et des modifications post-traductionnelles. L'expression ectopique de H2A.Z après la fécondation réduit la progression du développement, ce qui suggère que l'absence de H2A.Z au début du développement pourrait être importante pour l'organisation de la chromatine embryonnaire nouvellement formée. Deuxièmement, j'ai étudié la dynamique des histones dans l'embryon de souris en développement. La reprogrammation épigénétique après la fécondation est accompagnée par une étonnante forte mobilité des histones dans le noyau. Ma thèse a contribué à la compréhension des événements dynamiques affectant la chromatine embryonnaire pendant le remodelage épigénétique après la fécondation. / How the zygote acquires totipotency from two differentiated cells, and how cell fate decisions are made later in development is a pivotal biological question. The studies conducted during the first part of my doctorate contributed to the annotation of embryonic chromatin composition with regards to histone variants and PTMs, and more specifically those correlated with active chromatin regions. The histone variant H2A.Z was shown to be present on embryonic chromatin in a stage-specific manner. Ectopic expression of H2A.Z after fertilization reduced developmental progression, suggesting that absence of H2A.Z at the onset of development might be important for the organization of the newly formed embryonic chromatin. Secondly, I investigated histone dynamics in the developing mouse embryo. Our work represents the first report on histone mobility during early mouse embryogenesis. My thesis contributed to the understanding of the dynamic events affecting embryonic chromatin during epigenetic remodeling after fertilization.

Au-delà de l'information génétique contenue dans la séquence de l'ADN des cellules, il existe une mémoire cellulaire, dite épigénétique comprenant l'ensemble des circuits génétiques avec rétroactions positives permettant d'amplifier ou de maintenir une réponse cellulaire dans le temps. Nous nous sommes intéressés, à travers deux exemples, aux boucles de rétrocontrôle positif comme élément de réponse à un signal, permettant de fixer, de manière à la fois dynamique et robuste, le comportement cellulaire. Dans un premier temps, nous avons identifié une boucle d'auto-amplification dans la production de vitellogénine chez la truite et permettant d'expliquer l' « effet mémoire de la vitellogénèse » (une seconde stimulation à l'œstradiol induit une plus forte production de vitellogénine et plus rapidement que lors de la première stimulation, alors même que le niveau de vitellogénine retombe à zéro entre les deux stimulations). Le modèle que nous proposons implique un récepteur tronqué à l'œstradiol possédant une activité basale même en l'absence de son ligand, permettant de maintenir la cellule dans un état d'aptitude à répondre sans pour autant produire de vitellogénine. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à une des causes possibles provoquant la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), responsable des métastases dans les cancers. L'EMT témoigne d'un état plus agressif des cellules tumorales et s'accompagne notamment d'un changement du métabolisme des cellules cancéreuses, diminuant la part de la phosphorylation oxydative au profit de la glycolyse (effet Warburg). Cela entraîne une baisse d'efficacité de la production d'ATP, obligeant les cellules à prélever davantage de nutriments dans leur milieu. Cette observation a suscité le développement de thérapies basées sur la privation de glucose et qui, a priori, devraient nuire principalement aux cellules cancéreuses. Nous avons étudié les effets d'un faible contenu cellulaire en ATP sur la transformation cellulaire. Nous avons observé qu'un traitement par un analogue non métabolisable du glucose diminue drastiquement le contenu en ATP des cellules ayant passé l'EMT et induit des changements morphologiques et génétiques orientés vers le phénotype mésenchymateux. La protéine MKL1, cofacteur de transcription dont l'activité est régulée par la polymérisation de l'actine, pourrait être un relais génétique entre l'état métabolique cellulaire et le maintien de l'EMT. Ces résultats suggèrent de fortes connections entre l'EMT et le niveau énergétique des cellules, faisant d'une privation d'énergie une cause possible de l'aggravation du phénotype mésenchymateux et remettant en cause les bienfaits sur le long terme de thérapies visant à « affamer » les cellules tumorales. / Beyond the genetic information contained in the DNA sequence of cells, there is a cellular memory called epigenetic, including genetic circuits with positive feedback loops amplifying or maintaining cellular states in time. We studied through two examples, the positive feedback loops as part of response to a signal, able to set cell behavior, in a dynamic and robust way. As a first step, we identified a self-amplification loop in the production of trout vitellogenin explaining the "vitellogenesis memory effect" (a second estradiol stimulation induces higher and faster vitellogenin production than during the first stimulation, even though the vitellogenin level falls to zero between the two stimuli). The model we propose involves a truncated estradiol receptor, with a basal activity even in the absence of its ligand, which is able to maintain the cell in an estrogen-responsive state without producing vitellogenin. In a second step, we studied one of the possible causes leading to the epithelial-mesenchymal transition (EMT), involved in cancer metastasis. The EMT reflects a more aggressive state of tumor cells and is associated with a particular change in the metabolism of cancer cells, reducing the part of oxidative phosphorylation in favor of glycolysis (Warburg effect). This leads to a reduction in the efficiency of ATP production, forcing the cells to take more nutrients from their environment. This observation led to the development of treatments based on glucose deprivation which should mainly affect cancer cells. We studied the effects of a low cellular ATP content on cell transformation. We observed that a treatment with a non-metabolizable glucose analogue drastically reduces the ATP content of cells that had undergone EMT and induces morphological and genetic changes enforcing the mesenchymal phenotype. We identified the transcriptional coactivator MKL1, whose activity is regulated by actin polymerization, as a possible genetic link between the cellular metabolic state and maintenance of EMT. These results suggest strong connections between the EMT and the energy level of the cells, and raise serious questions about the benefits of the long-term therapy "starving" tumor cells, considering that energy deprivation could aggravate the mesenchymal cell phenotype.

L'obésité est aujourd’hui considérée comme une maladie inflammatoire chronique dite de « bas grade » principalement caractérisée par une augmentation de l’inflammation du tissu adipeux. Les adipocytes et les macrophages sont connus pour jouer un rôle clé dans l’établissement, la progression et le maintien de l'inflammation. Dans mon projet de thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés aux mécanismes transcriptionnels impliqués dans l'inflammation chronique en décodant l'action du corégulateur transcriptionnel GPS2 (G protein pathway suppressor 2) dans les adipocytes et les macrophages du tissu adipeux. Dans un premiers temps, nous avons étudié la régulation et les actions de GPS2 (et ses partenaires SMRT et NCOR) dans le tissu adipeux humains de sujets obèses par rapport à des sujets minces. Dans cette première étude, nous avons identifié un mécanisme épigénomique qui participe à la régulation de la transcription des gènes inflammatoires dans les adipocytes lors de l’obésité. Nous avons démontré que la dérégulation de GPS2 contribuait à l'inflammation du tissu adipeux en permettant à la dérépression de certains gènes inflammatoires dont l’interleukine 6. Dans la deuxième étude, nous avons caractérisé les conséquences de l’invalidation de GPS2 dans le phénotype inflammatoire des macrophages ainsi que les conséquences in vivo sur la progression de l’insulino-résistance. Pour ceci, nous avons généré un modèle de souris où GPS2 a été spécifiquement invalidé dans les macrophages (GPS2-MacKO). De manière intéressante, les souris GPS2-MacKO, présentent une expression accrue des gènes impliqués dans la voie de signalisation des TLR et des chimiokines dans les macrophages isolés. Par conséquent, une augmentation significative de l'infiltration des macrophages dans le tissu adipeux est observée dans un contexte d’obésité induisant une altération de l’homéostasie glucidique. Par nos approches génomiques, transcriptomiques et épigénomiques, nous avons pu révéler les voies de signalisations spécifiquement contrôlées par GPS2. Ces travaux démontrent également l’importance des régulations épigénomiques dans l'inflammation métabolique du tissu adipeux durant l'obésité. / Obesity is now considered a chronic low-grade inflammatory disease with increased levels of inflammatory mediators both in circulation and adipose tissue. Among adipose tissue cell types, adipocytes and macrophages are known to play key roles in the progression of inflammation by establishing and maintaining it. In this PhD project, we particularly focus on the transcriptional mechanisms behind the chronic low-grade inflammation by deciphering the action of GPS2 in adipocytes and adipose tissue macrophages. We initially studied the gene regulation and the actions of GPS2 and its partners in adipose tissue and adipocytes of human obese subjects compared to lean subjects. In this first study we identified a novel regulatory pathway that participates in the transcriptional control of inflammation associated with obesity, both in adipose tissue and adipocytes. We have shown that GPS2 and SMRT were differentially expressed and regulated in obese adipocytes. In addition, this dysregulation contributes to inflammation of the adipose tissue by allowing the derepression of specific inflammatory genes. In a second study, in order to go further in the characterisation of the in vivo function of GPS2, we generated a mouse model were GPS2 was specifically invalidated in macrophages. Models of diet-induced obesity were applied in these experiments. Interestingly, GPS2-MacKO mice showed an increased expression of inflammatory genes both in adipose tissue and isolated ATMs (F4/80+ cells) associated with a significant increase of macrophages infiltration in the adipose tissue. Finally, we observed that GPS2-MacKO mice had impaired glucose metabolism as they presented high glucose intolerance as well as an important insulin resistance.

La reprogrammation, qui est la réversion d’un noyau d’un état somatique vers un état moins différencié, constitue un enjeu majeur pour la thérapie cellulaire. Cependant, les mécanismes initiaux qui président à la reprogrammation restent mal connus. Le transfert nucléaire (clonage) met à profit les propriétés de reprogrammation uniques du cytoplasme ovocytaire, et constitue une approche expérimentale intéressante pour analyser ces processus. Le but de cette thèse est d’étudier la différence de capacité de cellules fibroblastiques à être reprogrammées efficacement, en tirant partie d’une situation-modèle d'efficacité différentielle de reprogrammation après clonage chez le bovin. Ce modèle est constitué de deux lots de fibroblastes donneurs de noyaux, qui forment des embryons clonés dont la différence d’efficacité de développement à terme varie d’un facteur 8. L’analyse des cellules donneuses a montré une augmentation des anomalies de ploïdie dans les cellules à faible potentiel, et la similitude transcriptomique entre les cellules donneuses, alors que la comparaison des transcriptomes des embryonsclonés a montré des différences de reprogrammation de l’expression génique dès le stade suivant l’activation du génome embryonnaire. Des différences de méthylation de l’ADN entre cellules donneuses ont été observées dans les promoteurs de gènes candidats différentiellement reprogrammés, ainsi que dans une analyse plus globale par RRBS. Nous avons enfin étudié la distribution des cellules filles des deux premiers blastomères au stade blastocyste, la distribution « orthogonale » et l’aptitude au développement à terme des embryons de souris clonés étant liées (Liu et al., 2012). Nous avons montré l’existence de trois distributions dans les embryons fécondés mais n’avons pas observé de différence de proportions de celles-ci entre embryons bovins clonés. En conclusion, dans notre modèle, la distribution des cellules filles des deux premiers blastomères au stade blastocyste ne semble pas associée à l’efficacité de reprogrammation dans les embryons bovins clonés, contrairement aux différences épigénétiques entre cellules donneuses. / Reprogramming, which is the return of a nucleus from a somatic state to a less differentiated state, is a major issue for cell therapy. However, the initial mechanisms governing the reprogramming remain poorly understood. Nuclear transfer (cloning) takes advantage of the unique reprogramming properties of the oocyte cytoplasm, and therefore is an interesting experimental approach to analyze these processes. The aim of this thesis is to study the difference in fibroblasts’ ability to be reprogrammed by taking advantage of a model-situation of differential reprogramming efficiency after cloning in cattle. This model consists of two batches of donor fibroblasts, which form cloned embryos having an 8 fold difference in development to term efficiency. Analysis of donor cells has shown increase ploidy abnormalities in cells of low potential, and transcriptomic similarity between the donor cells, whereas comparison ofcloned embryos transcriptomes showed gene expression reprogramming differences just after embryonic genome activation. Differences in DNA methylation between donor cells were observed in the promoters of candidate genes differentially reprogrammed and in a more comprehensive analysis by RRBS. Finally we studied the distribution of the first two blastomeres’ daughter cells at the blastocyst stage, as an "orthogonal" distribution and development to term of mice cloned embryos are linked (Liu et al., 2012). We have shown the existence of three distributions in the fertilized embryos but haven’t seen any difference of proportions between bovine cloned embryos. In conclusion, in our model, the distribution of the first two blastomeres’ daughter cells at the blastocyst stage does not seem related to the reprogramming efficiency in bovine cloned embryos, unlike epigenetic differences between donor cells.

Depuis ces vingt dernières années et la démocratisation des technologies de séquençage haut débit de l'ADN, l'accessibilité des données génomiques a permis le développement de nouveaux outils analytiques, notamment dans l'étude des maladies complexes. Au-delà de la simple perspective descriptive, il y a un intérêt croissant des chercheurs à étudier les phénomènes biologiques menant à l'émergence ou au développement de maladies chez l'humain. En effet, la vaste majorité des troubles complexes sont la résultante de la combinaison de variations rares et communes situées dans des régions non codantes du génome, rendant l'interprétation des mécanismes biologiques en jeu difficile. Ce dernier point a été l'occasion pour les chercheurs de caractériser, à travers de nouvelles technologies, certaines régions du génome selon leur profil épigénétique et d'intégrer cette information dans de nouveaux outils statistiques dans une optique de détection de variants impliqués dans les maladies. Premièrement, à l'heure actuelle les modèles existant pour caractériser les régions non codantes et les lier à leur(s) gènes cibles n'intègrent pas la notion de réseaux d'interaction. Ainsi il devient critique de proposer un modèle computationnel, valide biologiquement, capable de capturer les contacts entre gènes et éléments de régulation à travers des réseaux, afin de mettre en lumière les mécanismes biologiques impliqués dans les maladies complexes. D'un autre côté, bien que des modèles permettant de tenir compte de la rareté des variants et de leur implication fonctionnelle dans les maladies ont déjà été proposés, ces derniers ne se limitent qu'aux devis cas-témoins d'individus non apparentés, pouvant nécessiter des tailles d'échantillon souvent élevées pour détecter des associations. Il y a alors un réel besoin méthodologique d'étendre ces approches aux études familiales, lorsque ces dernières sont plus performantes pour identifier des variants rares impliqués dans les maladies. Ainsi, dans cette perspective, nous proposons un nouveau modèle de réseaux intégrant l'information épigénétique au travers des contacts physiques entre gènes et enhancers, appelé pôles de régulation cis. Aussi, parce que cette information peut être exploiter afin de mettre en lumière de nouvelles régions associées avec des maladies, nous proposons un nouveau test d'association de variants rares, appelé RetroFun-RVS, exploitant la structure familiale et permettant l'intégration des annotations fonctionnelles sous forme de réseaux. Enfin, nous avons démontré que notre modèle de pôles de régulation cis en plus d'être biologiquement valide est capable de mieux cerner les mécanismes épigénétiques impliqués dans l'étiologie de maladies complexes. Par ailleurs, RetroFun-RVS en incorporant les pôles de régulation cis, en tant qu'annotations fonctionnelles et l'information familiale, a été démontré une approche puissante pour détecter de nouveaux variants causaux. Dans une perspective mécanistique, proposer des modèles unifiant approches familiales et information fonctionnelle ouvre alors de nouvelles voies dans l'étude des maladies complexes, notamment en permettant de cibler plus précisément les phénomènes de régulation impliqués. / Over the past few years, with the development of whole-genome sequencing technologies, improvements have been made in the understanding of complex diseases. Indeed, most phenotypes are characterized by a combination of common and rare variants, mainly located within noncoding regions, making the underlying biological mechanisms difficult to interpret. The increased availability of genomics data has provided opportunities for researchers to characterize noncoding regions and assess their roles in diseases, by incorporating this information in analytical tools to detect new causal variants involved in diseases. On the one side, to date, methods to detect enhancers and link to their target genes do not integrate complex networks of interactions. Indeed, no network-based model integrating physical contacts between genes and enhancers has been proposed. Thus, it remains crucial to provide a computational model which is biologically relevant and able to capture complex regulatory interactions, in order to gain insights in epigenetics mechanisms involved in the etiology of complex diseases. On the other side, although rare-variant association tests integrating functional information have already been proposed, models currently available suffer from two major limitations. Firstly, they are restricted to case-control designs of unrelated people, where tens or hundreds thousand of individuals are often required to reach sufficient power, limiting their applicability in practice. Secondly, these approaches have been mainly evaluated using continuous scores. Indeed, no functional annotations corresponding to regions with regulatory impacts have been assessed. To overcome these limitations, there is an important need to provide family-based rare-variant association tests, incorporating functional annotations through active noncoding regions. Hence, in this thesis, we are firstly proposing Cis-Regulatory Hubs (CRHs), a new 3D-based model integrating contacts between genes and enhancers within networks of complex interactions. Also, we argue that this information can be used to highlight new risk variants involved in complex diseases. Thus, we have developed a new family-based rare variant association test, called RetroFun-RVS, integrating 3D-based functional annotations, such as CRHs. We have demonstrated that CRHs represent biological relevant structures to gain insights into complex disease etiology, such as schizophrenia. Moreover, RetroFun-RVS incorporating CRHs as functional annotations has been shown to be powerful in detecting new risk variants. We argue that these aspects are crucial to highlighting epigenetics mechanisms involved in complex traits. Finally, by proposing an unified framework combining both family-based studies and functional annotations, progress is made in the understanding of the etiology of complex diseases.

Depuis ces vingt dernières années et la démocratisation des technologies de séquençage haut débit de l'ADN, l'accessibilité des données génomiques a permis le développement de nouveaux outils analytiques, notamment dans l'étude des maladies complexes. Au-delà de la simple perspective descriptive, il y a un intérêt croissant des chercheurs à étudier les phénomènes biologiques menant à l'émergence ou au développement de maladies chez l'humain. En effet, la vaste majorité des troubles complexes sont la résultante de la combinaison de variations rares et communes situées dans des régions non codantes du génome, rendant l'interprétation des mécanismes biologiques en jeu difficile. Ce dernier point a été l'occasion pour les chercheurs de caractériser, à travers de nouvelles technologies, certaines régions du génome selon leur profil épigénétique et d'intégrer cette information dans de nouveaux outils statistiques dans une optique de détection de variants impliqués dans les maladies. Premièrement, à l'heure actuelle les modèles existant pour caractériser les régions non codantes et les lier à leur(s) gènes cibles n'intègrent pas la notion de réseaux d'interaction. Ainsi il devient critique de proposer un modèle computationnel, valide biologiquement, capable de capturer les contacts entre gènes et éléments de régulation à travers des réseaux, afin de mettre en lumière les mécanismes biologiques impliqués dans les maladies complexes. D'un autre côté, bien que des modèles permettant de tenir compte de la rareté des variants et de leur implication fonctionnelle dans les maladies ont déjà été proposés, ces derniers ne se limitent qu'aux devis cas-témoins d'individus non apparentés, pouvant nécessiter des tailles d'échantillon souvent élevées pour détecter des associations. Il y a alors un réel besoin méthodologique d'étendre ces approches aux études familiales, lorsque ces dernières sont plus performantes pour identifier des variants rares impliqués dans les maladies. Ainsi, dans cette perspective, nous proposons un nouveau modèle de réseaux intégrant l'information épigénétique au travers des contacts physiques entre gènes et enhancers, appelé pôles de régulation cis. Aussi, parce que cette information peut être exploiter afin de mettre en lumière de nouvelles régions associées avec des maladies, nous proposons un nouveau test d'association de variants rares, appelé RetroFun-RVS, exploitant la structure familiale et permettant l'intégration des annotations fonctionnelles sous forme de réseaux. Enfin, nous avons démontré que notre modèle de pôles de régulation cis en plus d'être biologiquement valide est capable de mieux cerner les mécanismes épigénétiques impliqués dans l'étiologie de maladies complexes. Par ailleurs, RetroFun-RVS en incorporant les pôles de régulation cis, en tant qu'annotations fonctionnelles et l'information familiale, a été démontré une approche puissante pour détecter de nouveaux variants causaux. Dans une perspective mécanistique, proposer des modèles unifiant approches familiales et information fonctionnelle ouvre alors de nouvelles voies dans l'étude des maladies complexes, notamment en permettant de cibler plus précisément les phénomènes de régulation impliqués. / Over the past few years, with the development of whole-genome sequencing technologies, improvements have been made in the understanding of complex diseases. Indeed, most phenotypes are characterized by a combination of common and rare variants, mainly located within noncoding regions, making the underlying biological mechanisms difficult to interpret. The increased availability of genomics data has provided opportunities for researchers to characterize noncoding regions and assess their roles in diseases, by incorporating this information in analytical tools to detect new causal variants involved in diseases. On the one side, to date, methods to detect enhancers and link to their target genes do not integrate complex networks of interactions. Indeed, no network-based model integrating physical contacts between genes and enhancers has been proposed. Thus, it remains crucial to provide a computational model which is biologically relevant and able to capture complex regulatory interactions, in order to gain insights in epigenetics mechanisms involved in the etiology of complex diseases. On the other side, although rare-variant association tests integrating functional information have already been proposed, models currently available suffer from two major limitations. Firstly, they are restricted to case-control designs of unrelated people, where tens or hundreds thousand of individuals are often required to reach sufficient power, limiting their applicability in practice. Secondly, these approaches have been mainly evaluated using continuous scores. Indeed, no functional annotations corresponding to regions with regulatory impacts have been assessed. To overcome these limitations, there is an important need to provide family-based rare-variant association tests, incorporating functional annotations through active noncoding regions. Hence, in this thesis, we are firstly proposing Cis-Regulatory Hubs (CRHs), a new 3D-based model integrating contacts between genes and enhancers within networks of complex interactions. Also, we argue that this information can be used to highlight new risk variants involved in complex diseases. Thus, we have developed a new family-based rare variant association test, called RetroFun-RVS, integrating 3D-based functional annotations, such as CRHs. We have demonstrated that CRHs represent biological relevant structures to gain insights into complex disease etiology, such as schizophrenia. Moreover, RetroFun-RVS incorporating CRHs as functional annotations has been shown to be powerful in detecting new risk variants. We argue that these aspects are crucial to highlighting epigenetics mechanisms involved in complex traits. Finally, by proposing an unified framework combining both family-based studies and functional annotations, progress is made in the understanding of the etiology of complex diseases.

Des études épidémiologiques ont rapporté une association inverse entre la consommation de produits laitiers et le risque de diabète de type 2 (DT2). Cependant, les études d'intervention sur les produits laitiers rapportent des résultats contradictoires sur la sensibilité à l'insuline. Ainsi, on ne sait pas si la consommation de produits laitiers exerce des effets bénéfiques sur l'homéostasie du glucose et les mécanismes d'action potentiels. Les effets des produits laitiers sur l'homéostasie du glucose pourraient être révélés par l'intégration des omiques. Le terme omique est utilisé pour désigner les investigations utilisant des technologies analytiques, telles que la transcriptomique (ARNm et microARN (miARN)), la métabolomique (acides gras à chaîne courte (AGCC), les acides biliaires, et F₂-isoprostanes (F₂-IsoPs)) et le microbiome intestinal. Pourtant, on ne sait pas si la consommation de produits laitiers pourrait modifier le transcriptome, le métabolome et le microbiote intestinal et si ceux-ci pourraient prédire l'homéostasie du glucose chez les personnes à risque de DT2. Les objectifs sont 1- de déterminer l'effet des produits laitiers sur le profil omique, y compris le profilage de l'ARNm et les microARN, les métabolites et le microbiome; et 2- de clarifier les mécanismes d'action des produits laitiers sur les facteurs de risque de DT2. Dans cet essai randomisé en chassé-croisé, 27 participants hyperinsulinémiques ont été randomisés pour consommer des produits laitiers élevès (HD) (HD ≥ 4 portions/j) et des produits laitiers adéquats (AD) (AD ≤ 2 portions/jour) pendant 6 semaines. Les mesures cliniques et anthropométriques ainsi que des questionnaires de fréquence alimentaire ont été réalisés avant et après chaque intervention. Premièrement, l'ARNm et les miARN ont été mesurés en utilisant des micropuces et la validation par qPCR. Deuxièmement, les taux plasmatiques d'AGCCs, sels biliaires, et des F₂-IsoPs ont été mesurés par des techniques de spectrométrie de masse. Troisièmement, l'abondance du bactèries intestinalles a été analysée à l'aide de méthodes de séquençage du gène ARNr 16S. Le test t apparié a été utilisé pour indiquer des différences significatives dans les paramètres cliniques et omiques entre AD et HD. Les analyses de corrélation ont été effectuées pour identifier l'association entre les paramètres glycémiques et les omiques. De plus, un modèle mixte de régression linéaire a été utilisée pour examiner les différences dans les mesures répétées des niveaux plasmatiques de F₂-IsoP entre AD et HD. L'intégration des omiques a été réalisée à l'aide d'une analyse par apprentissage automatique. L'analyse des puces à ARNm a indiqué que 236 gènes étaient différentiellement exprimés avant et après l'apport en HD. De plus, 297 miARN ont été différentiellement exprimés entre AD et de HD. Une analyse plus approfondie des gènes et des miARN exprimés de manière différentielle a révélé que les voies métaboliques associées au DT2 étaient modifiées après la prise de HD par rapport à avant la prise de HD, y compris la signalisation des récepteurs olfactifs, GPCR, PI3K-AKT2, la signalisation Ras et les voies MAPK. De plus, le niveau de F₂-IsoPs (5-F₂ₜ-IsoP et 8-F₂ₜ-IsoP) a été favorablement réduit. F₂-IsoPs était aussi positivement corrélé avec la glycémie à jeun. Un niveau inférieur de F₂-IsoP a été observé chez les femmes par rapport aux hommes après la prise de HD par rapport à AD. Les résultats ont également montré une augmentation de l'abondance des bactéries Firmicutes et de l'acide butyrique fécal qui jouent un rôle dans la réduction de la résistance à l'insuline. Finalement, l'analyse de l'apprentissage automatique a identifié trois déterminants omiques potentiels interdépendants (miR-93-5p, 8-F₂ₜ-IsoP et l'acide biliaire lithocholique) après la consommation de HD, ce qui a entraîné une réduction de la résistance à l'insuline. Dans l'ensemble, cette étude a démontré que la prise de HD peut modifier de manière bénéfique le profil des OMIC et la résistance à l'insuline chez les participants atteints d'hyperinsulinémie. / Epidemiological studies have reported an inverse association between the consumption of dairy products and the risk of type 2 diabetes (T2D). However, dairy intervention studies report conflicting results on insulin sensitivity. Thus, it is unknown whether dairy product consumption exerts its beneficial effects on glucose homeostasis and their potential mechanisms of action. The effects of dairy products on glucose homeostasis could be mediated by changes in omics profiles. The term omics is used to refer to investigations using global analytical technologies, such as transcriptomics (mRNA and microRNA (miRNA)), metabolomics (short-chain fatty acids (SCFAs), biliary acids, and F₂-isoprostanes (F₂-IsoPs)), and gut microbiome. Yet, it is unclear whether dairy product consumption could alter the transcriptome, metabolome, and gut microbiota and whether these could predict glucose homeostasis in individuals at risk for T2D. The objectives are 1- to determine the effect of dairy products on the OMICS profile, including mRNA and miRNA profiling, metabolites and microbiome; and 2- to clarify the mechanisms of action of dairy products on the risk factors of T2D. In this randomized crossover trial, 27 subjects with hyperinsulinemia were randomized to consume high-dairy (HD) products (HD ≥ 4 servings/d) and adequate dairy (AD) products (AD ≤ 2 servings/day) for 6 weeks. Clinical and anthropometric measurements as well as food frequency questionnaires were carried out before and after each intervention. First, the mRNA and miRNA profiling were performed using microarrays and qPCR validation. Second, plasma levels of SCFAs and F₂-IsoPs were measured by mass spectrometry techniques. Third, the abundance of gut microbiota was analyzed using 16S rRNA gene sequencing. The paired t-test was used to indicate differences in clinical and omics parameters between AD and HD. The correlation analyses were performed to identify the association between glycemic parameters and omics. Further, mix-model regression was used to examine the differences in repeated measurements of plasma levels of F₂-IsoP between AD and HD. The integration of omics was performed using machine learning methods. Microarray analysis indicated that 236 genes were expressed differently before and after HD intake. Furthermore, 297 miRNAs were expressed differently between AD and HD. Further, analysis of differentially expressed genes and miRNAs revealed that T2D-associated metabolic pathways were altered after HD intake compared to before HD intake, including olfactory receptor signaling, GPCR, PI3K-AKT2, Ras signaling, and MAPK pathways. In addition, the level of F₂-IsoPs (5-F₂ₜ-IsoP and 8-F₂ₜ-IsoP) was favorably reduced. F₂-IsoPs was also positively correlated with fasting blood glucose. In addition, a lower level of F₂-IsoP was observed in females compared to males after intake of HD compared to AD. Results also showed an increase in the abundance of Firmicutes bacteria and fecal butyric acid which have a role in reducing the insulin resistance. Finally, machine learning analysis identified three interrelated potential omics determinants (miR-93-5p, 8-F₂ₜ-IsoP, and lithocholic bile acid) after HD consumption that resulted in reduced insulin resistance. Overall, this study demonstrated that consuming HD can beneficially alter the OMICs profile to improve insulin resistance in participants with hyperinsulinemia.

Des études épidémiologiques ont rapporté une association inverse entre la consommation de produits laitiers et le risque de diabète de type 2 (DT2). Cependant, les études d'intervention sur les produits laitiers rapportent des résultats contradictoires sur la sensibilité à l'insuline. Ainsi, on ne sait pas si la consommation de produits laitiers exerce des effets bénéfiques sur l'homéostasie du glucose et les mécanismes d'action potentiels. Les effets des produits laitiers sur l'homéostasie du glucose pourraient être révélés par l'intégration des omiques. Le terme omique est utilisé pour désigner les investigations utilisant des technologies analytiques, telles que la transcriptomique (ARNm et microARN (miARN)), la métabolomique (acides gras à chaîne courte (AGCC), les acides biliaires, et F₂-isoprostanes (F₂-IsoPs)) et le microbiome intestinal. Pourtant, on ne sait pas si la consommation de produits laitiers pourrait modifier le transcriptome, le métabolome et le microbiote intestinal et si ceux-ci pourraient prédire l'homéostasie du glucose chez les personnes à risque de DT2. Les objectifs sont 1- de déterminer l'effet des produits laitiers sur le profil omique, y compris le profilage de l'ARNm et les microARN, les métabolites et le microbiome; et 2- de clarifier les mécanismes d'action des produits laitiers sur les facteurs de risque de DT2. Dans cet essai randomisé en chassé-croisé, 27 participants hyperinsulinémiques ont été randomisés pour consommer des produits laitiers élevès (HD) (HD ≥ 4 portions/j) et des produits laitiers adéquats (AD) (AD ≤ 2 portions/jour) pendant 6 semaines. Les mesures cliniques et anthropométriques ainsi que des questionnaires de fréquence alimentaire ont été réalisés avant et après chaque intervention. Premièrement, l'ARNm et les miARN ont été mesurés en utilisant des micropuces et la validation par qPCR. Deuxièmement, les taux plasmatiques d'AGCCs, sels biliaires, et des F₂-IsoPs ont été mesurés par des techniques de spectrométrie de masse. Troisièmement, l'abondance du bactèries intestinalles a été analysée à l'aide de méthodes de séquençage du gène ARNr 16S. Le test t apparié a été utilisé pour indiquer des différences significatives dans les paramètres cliniques et omiques entre AD et HD. Les analyses de corrélation ont été effectuées pour identifier l'association entre les paramètres glycémiques et les omiques. De plus, un modèle mixte de régression linéaire a été utilisée pour examiner les différences dans les mesures répétées des niveaux plasmatiques de F₂-IsoP entre AD et HD. L'intégration des omiques a été réalisée à l'aide d'une analyse par apprentissage automatique. L'analyse des puces à ARNm a indiqué que 236 gènes étaient différentiellement exprimés avant et après l'apport en HD. De plus, 297 miARN ont été différentiellement exprimés entre AD et de HD. Une analyse plus approfondie des gènes et des miARN exprimés de manière différentielle a révélé que les voies métaboliques associées au DT2 étaient modifiées après la prise de HD par rapport à avant la prise de HD, y compris la signalisation des récepteurs olfactifs, GPCR, PI3K-AKT2, la signalisation Ras et les voies MAPK. De plus, le niveau de F₂-IsoPs (5-F₂ₜ-IsoP et 8-F₂ₜ-IsoP) a été favorablement réduit. F₂-IsoPs était aussi positivement corrélé avec la glycémie à jeun. Un niveau inférieur de F₂-IsoP a été observé chez les femmes par rapport aux hommes après la prise de HD par rapport à AD. Les résultats ont également montré une augmentation de l'abondance des bactéries Firmicutes et de l'acide butyrique fécal qui jouent un rôle dans la réduction de la résistance à l'insuline. Finalement, l'analyse de l'apprentissage automatique a identifié trois déterminants omiques potentiels interdépendants (miR-93-5p, 8-F₂ₜ-IsoP et l'acide biliaire lithocholique) après la consommation de HD, ce qui a entraîné une réduction de la résistance à l'insuline. Dans l'ensemble, cette étude a démontré que la prise de HD peut modifier de manière bénéfique le profil des OMIC et la résistance à l'insuline chez les participants atteints d'hyperinsulinémie. / Epidemiological studies have reported an inverse association between the consumption of dairy products and the risk of type 2 diabetes (T2D). However, dairy intervention studies report conflicting results on insulin sensitivity. Thus, it is unknown whether dairy product consumption exerts its beneficial effects on glucose homeostasis and their potential mechanisms of action. The effects of dairy products on glucose homeostasis could be mediated by changes in omics profiles. The term omics is used to refer to investigations using global analytical technologies, such as transcriptomics (mRNA and microRNA (miRNA)), metabolomics (short-chain fatty acids (SCFAs), biliary acids, and F₂-isoprostanes (F₂-IsoPs)), and gut microbiome. Yet, it is unclear whether dairy product consumption could alter the transcriptome, metabolome, and gut microbiota and whether these could predict glucose homeostasis in individuals at risk for T2D. The objectives are 1- to determine the effect of dairy products on the OMICS profile, including mRNA and miRNA profiling, metabolites and microbiome; and 2- to clarify the mechanisms of action of dairy products on the risk factors of T2D. In this randomized crossover trial, 27 subjects with hyperinsulinemia were randomized to consume high-dairy (HD) products (HD ≥ 4 servings/d) and adequate dairy (AD) products (AD ≤ 2 servings/day) for 6 weeks. Clinical and anthropometric measurements as well as food frequency questionnaires were carried out before and after each intervention. First, the mRNA and miRNA profiling were performed using microarrays and qPCR validation. Second, plasma levels of SCFAs and F₂-IsoPs were measured by mass spectrometry techniques. Third, the abundance of gut microbiota was analyzed using 16S rRNA gene sequencing. The paired t-test was used to indicate differences in clinical and omics parameters between AD and HD. The correlation analyses were performed to identify the association between glycemic parameters and omics. Further, mix-model regression was used to examine the differences in repeated measurements of plasma levels of F₂-IsoP between AD and HD. The integration of omics was performed using machine learning methods. Microarray analysis indicated that 236 genes were expressed differently before and after HD intake. Furthermore, 297 miRNAs were expressed differently between AD and HD. Further, analysis of differentially expressed genes and miRNAs revealed that T2D-associated metabolic pathways were altered after HD intake compared to before HD intake, including olfactory receptor signaling, GPCR, PI3K-AKT2, Ras signaling, and MAPK pathways. In addition, the level of F₂-IsoPs (5-F₂ₜ-IsoP and 8-F₂ₜ-IsoP) was favorably reduced. F₂-IsoPs was also positively correlated with fasting blood glucose. In addition, a lower level of F₂-IsoP was observed in females compared to males after intake of HD compared to AD. Results also showed an increase in the abundance of Firmicutes bacteria and fecal butyric acid which have a role in reducing the insulin resistance. Finally, machine learning analysis identified three interrelated potential omics determinants (miR-93-5p, 8-F₂ₜ-IsoP, and lithocholic bile acid) after HD consumption that resulted in reduced insulin resistance. Overall, this study demonstrated that consuming HD can beneficially alter the OMICs profile to improve insulin resistance in participants with hyperinsulinemia.