Titre de l'écran-titre (visionné le 13 décembre 2023) / Dans le domaine de la résistance aux antifongiques, il est important de comprendre la dynamique entre l'épistasie et les trajectoires évolutives afin de pouvoir prédire comment les pathogènes fongiques évoluent pour résister à ces traitements. Dans ce projet, nous avons voulu comprendre le lien entre épistasie au niveau des protéines et les mutations du gène FCY1 qui conduisent à la résistance à l'antifongique 5-fluorocytosine (5-FC). Nous avons utilisé le Deep Mutational Scanning pour systématiquement générer tous les variants de codons possibles à certaines positions du gène FCY1 de cinq champignons. Cette librairie de mutants a été criblée contre le 5-FC afin d'identifier les mutations qui conduisent à sa résistance ou qui maintiennent sa sensibilité. En comparant le phénotype lié à chaque mutation dans chaque orthologue de FCY1, nous avons pu identifier des mutations épistatiques : des mutations qui ont des effets différents entre les orthologues. En général, un faible pourcentage des mutations créées étaient des mutations épistatiques. De plus, plus deux orthologues divergent sur le plan évolutif, plus il y a de mutations épistatiques. Nous avons également observé des liens inattendus entre la divergence des orthologues de FCY1 et l'effet sur le fitness des mutations épistatiques. Des travaux comme les nôtres peuvent contribuer à orienter les futurs modèles de prédiction de la résistance en étoffant les bases de données de mutations causant la résistance et en nous informant sur le taux de confiance de l'effet d'une mutation dans un pathogène. / In the field of antifungal resistance, understanding the dynamics between epistasis and evolutionary trajectories is of importance to predict how fungal pathogens evolve to resist antifungals. In this project, we wanted to understand how epistasis at the protein level influences which mutations in the FCY1 gene lead to resistance to the antifungal 5- fluorocytosine (5-FC). We used Deep Mutational Scanning to systematically generate all possible codon variants at specific positions in the FCY1 gene of five fungi. This library of mutants was screened against 5-FC to identify which mutations lead to its resistance or maintained sensitivity. By comparing the phenotype related to each mutation in each FCY1 ortholog, we identified epistatic mutations: mutations that have different effects between orthologs. In general, a low percentage of mutations created were epistatic mutations. In addition, the more two orthologs diverge evolutionary, the more epistatic mutations there are. We also observed unexpected links between divergence of the FCY1 orthologs and the patterns of fitness effects of epistatic mutations. Work like ours can help guide future prediction models by making databases more robust and by informing us about the confidence rate of the effect of a mutation in a pathogen.

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

Les maladies chroniques, comme les maladies cardiovasculaires (MCV), la maladie d'Alzheimer (AD), la dépression et l'ostéoporose, sont les principales causes de mortalité dans le monde. L'identification de facteurs de risque communs à ces maladies pourrait contribuer à un vieillissement «sain» mieux surveillé en utilisant des stratégies personnalisées de prédiction des risques, de prévention précoce et de traitement adéquat, en tenant compte des comorbidités très souvent existantes. Dans cette thèse, 8 publications ont été développées. Dans un premier temps, j'ai résumé, dans un article de revue, les défis actuels et les opportunités de la pharmacogénomique des médicaments contre les maladies cardiovasculaires. J'ai participé à la formation d'un consortium international, le Consortium VEGF et j'ai participé à une étude qui a identifié des interactions épistasiques entre les polymorphismes qui régulent les niveaux de VEGF et la pression artérielle et les indices d'adiposité. J'ai également démontré qu’un marqueur génétique de VEGF, le rs4416670, était significativement associé à un risque accru de dépression. En outre, j'ai signalé deux interactions significatives entre les variantes liées au VEGF affectant la densité minérale osseuse du col fémoral chez les femmes ménopausées. J'ai également étudié deux marqueurs liés au métabolisme des lipides : l'apolipoprotéine E (APOE) et le «lipolysis-stimulated receptor» (LSR). J'ai trouvé que le variant LSR rs916147 peut interagir avec APOE d'une manière qui inverse l'effet protecteur de l'allèle ε2 de l'APOE sur les lipides sanguins, fournissant ainsi de nouvelles connaissances sur les mécanismes de l'hyperlipoprotéinémie de type III. Les interactions épistasiques entre ces deux gènes augmentent également le risque d’AD même en l'absence de l'allèle à risque, APOE ε4. Finalement, j'ai réalisé des études épigénetiques (EWAS) sur l'obésité centrale et les traits lipidiques chez des individus sains. Les résultats suggèrent qu'un CpG pourrait affecter le tour de taille à travers une voie de signalisation de l'insuline. En outre, deux CpGs ont été associées aux niveaux des triglycérides par des gènes liés aux maladies cardiaques génétiques (PRKAG2) et à l'inhibition de la signalisation Wnt / bêta-caténine impliquée dans le développement des MCV et d’AD (KREMEN2). En conclusion, dans cette thèse j’ai utilisé l'étude de l'épistasie et de l'épigénétique pour identifier des interrelations complexes entre VEGF, LSR, APOE et différentes maladies chroniques (MCV, AD, ostéoporose, dépression) proposant ainsi de nouveaux mécanismes et des dénominateurs communs de ces maladies qui devraient être utilisés comme biomarqueurs de médecine personnalisée / Chronic diseases, like cardiovascular diseases (CVD), Alzheimer’s disease (AD), depression and osteoporosis, are major causes of mortality in the world. Identification of common to those diseases risk factors could help for a better-monitored ‘healthy’ aging, by promotion of personalised strategies for risk prediction, early prevention and adequate treatment, all taking into account the very often existing comorbidities. In this thesis, 8 publications have been developed. Initially, in a review paper, I have summarised the current challenges and opportunities of pharmacogenomics of CVD medications. I have participated in the formation of an international consortium, the VEGF Consortium, and I have participated in a study that identified significant epistatic interactions between polymorphisms that regulate the levels of VEGF and their effects on blood pressure and adiposity indexes. I have also demonstrated that one genetic marker of VEGF, rs4416670, was significantly associated with an increased risk for depression. Furthermore, I have reported two significant interactions between VEGF-related variants affecting the femoral neck bone mineral density in post-menopausal women. I have focused also on two markers linked with lipids metabolism: the apolipoprotein E (APOE) and the lipolysis-stimulated receptor (LSR). I have found that the LSR variant rs916147 can interact with APOE in a way that reverses the protective effect of the ε2 allele of APOE on blood lipids, thus providing new insights in the mechanisms underlying type III hyperlipoproteinemia. Epistatic interactions between these two genes have also been shown to increase the risk of AD, even in the absence of the known risk allele APOE ε4. Finally, I have performed epigenome-wide association studies (EWAS) on central obesity and blood lipid traits in healthy individuals. The results suggest that one methylation probe could affect waist circumference through an insulin-signaling pathway. Furthermore, two methylations probes were associated with triglycerides levels through genes linked with genetic heart diseases (PRKAG2) and with inhibition of the Wnt/beta-catenin signaling that is involved in CVD and AD development (KREMEN2). In conclusion, this thesis used the study of epistasis and epigenetics and identified complex inter-relationships between VEGF, LSR, APOE and different chronic diseases (CVD, AD, osteoporosis, depression) and novel mechanisms that link disease development with DNA methylation, thus demonstrating their role as common denominators of diseases that can be used as valuable markers in personalised medicine

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

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L'épistasie a longtemps été négligée, mais aujourd'hui elle connait un regain d'intérêt avec le développement du séquençage haut-débit et des études d'association pangénomique (GWAS). Elle est quasi-omniprésente, ayant été détectée sur de nombreux traits et chez de nombreuses espèces. Elle joue un rôle important d'un point de vue évolutif, puisqu'elle est à l'origine d'incompatibilités de Dobzhansky-Müller, expliquant l'isolement reproductif entre lignées apparentées. Par ailleurs, chez les polyploïdes à héritabilité disomique (essentiellement des allopolyploïdes), elle peut permettre de fixer l'hétérosis. L'objectif de cette thèse a été d'étudier l'épistasie dans ce contexte évolutif. Le matériel d'étude a été une population à base génétique large d'une espèce autogame allopolyploïde, le blé dur (Triticum turgidum), possédant deux génomes : le génome A et le génome B. Cette population a été constituée à partir de différents taxons : blé dur (T. t. durum), amidonnier domestique (T. t. dicoccum) et amidonnier sauvage (T. t. dicoccoides). Il est donc possible qu'elle présente des combinaisons de gènes coadaptées, et donc de l'épistasie générant des incompatibilités de Dobzhansky-Müller.Une première partie présente différents modèles permettant d'estimer l'épistasie. Ces modèles ont des inconvénients et des avantages, qui dépendent de l'objectif que l'on s'est fixé. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé l'un de ces modèles sur des données de RNA-seq (données d'expression et de génotypage) de la population de blé dur, afin de détecter des effets régulateurs de l'expression, et notamment de l'épistasie entre gènes homéologues. Cette analyse est une première pour le blé dur et probablement pour les espèces polyploïdes. Nous n'avons presque pas détecté d'épistasie de premier ordre, mais des interactions avec le fond génétique ont été observées. Nous avons trouvé plus d'eQTL sur le génome B que sur le génome A, ce qui est peut-être dû au fait que les ancêtres diploïdes du blé dur n'avaient pas le même régime de reproduction. Par ailleurs, nous avons montré que les niveaux d'expression des gènes homéologues étaient très fréquemment (80%) corrélés de manière positive, ce qui indique que les gènes homéologues appartiennent fréquemment aux mêmes complexes de gènes corégulés. Enfin, les régulations trans sont plus fréquentes au sein des paires de gènes d'homéologues, ce qui corrobore également l'idée que les gènes homéologues appartiennent aux mêmes réseaux de gènes. Dans une troisième partie, le rôle évolutif de l'épistasie a été examiné. D'abord, nous avons montré comment l'épistasie influençait la covariance parents-enfants, et donc l'évolution à courts termes d'une population. Ensuite, nous avons étudié l'impact d'un type particulier d'épistasie (celui à l'origine des d'incompatibilités de Dobzhansky-Müller, présentant des combinaisons de gènes coadaptés) sur l'évolution d'une population soumise à de la sélection par troncation (comme dans les populations de pre-breeding), à l'aide d'un modèle haploïde bilocus, en fonction du taux de recombinaison et de l'intensité de la sélection. Nous avons montré que si le génotype optimal n'est pas présent dans la population initiale, un fort taux de recombinaison risque de mener à la fixation du génotype sous-optimal. Néanmoins, un peu de recombinaison est nécessaire pour créer ce génotype optimal et le fixer.En perspectives, nous proposons d'adopter une méthode basée sur les réseaux de gènes pour approfondir les mécanismes de la régulation de l'expression chez le blé dur. Nous proposons également de complexifier le modèle permettant d'étudier l'effet de la recombinaison sur l'évolution d'un trait épistatique, sélectionné par troncation, et de compléter ces travaux de modélisation par des études expérimentales. / Epistasis has long been neglected, but it is currently subject to a renewed interest with the development of high-throughput sequencing technologies and of genome-wide association studies (GWAS). It is virtually ubiquitous, having been detected on many traits and in many species. It plays an important evolutionary role, since it is one of the sources of Dobzhansky-Muller incompatibilities, explaining reproductive isolation between related lineages. Moreover, it can enable to fix heterosis in disomic polyploids (mostly allopolyploids). The objective of this thesis was to study epistasis in this evolutionary context. The study material was a broad genetic basis population of a self-pollinating allopolyploid species, durum wheat (Triticum turgidum), having two genomes: A and B genomes. This population was composed from different taxa: durum wheat (T. t. durum), domestic emmer (T. t. dicoccum) and wild emmer (T. t. dicoccoides). Therefore, there are probably combinations of coadapted genes in this population, and thus epistasis generating Dobzhansky-Muller incompatibilities.The first part presents different models to estimate epistasis. These models have advantages and drawbacks, depending on the overall objective. In a second part, we used one of these models on RNA-seq data (expression and genotyping data) of the population of durum wheat to detect regulatory effects of expression, including epistasis between homoelogous genes. This analysis is unique in durum wheat, and probably in polyploid species. We did not detect first-order epistasis, but interactions with genetic background were observed. We found more eQTL on the B genome than on the A genome, which may be due to the fact that the diploid progenitors of durum wheat did not have the same mating system. Furthermore, we showed that the expression levels of homoelogous genes were frequently (80%) positively correlated, indicating that homoelogous genes often belong to the same complex of coregulated genes. Finally, trans regulations are more common among pairs of homoelogous genes, which also supports the idea that homoelogous genes belong to the same gene networks. In the third part, the evolving role of epistasis was examined. First, we showed how epistasis influences the parent-offspring covariance, and thus the short-term evolution of a population. Then we studied the impact of a particular type of epistasis (the one which can generate Dobzhansky-Muller incompatibilities, with combinations of co-adapted genes) on the evolution of a population subjected to truncation selection (as in pre-breeding populations), using a haploid bilocus model, based on the recombination rate and selection intensity. We have shown that if the optimal genotype is not present in the initial population, a high rate of recombination may lead to the fixation of the sub-optimal genotype. However, some recombination is needed to create this optimal genotype and fix it.In perspective, we propose to adopt a network-based method to further the regulation mechanisms of expression in durum wheat. We also propose to make the model more complex, in order to study the effect of recombination on the evolution of an epistatic trait selected by truncation, and complete these modelling works by experimental studies.

La canalisation génétique est définie comme la capacité d’un organisme à avoir un développement constant en dépit des mutations qui l’affectent. A l’heure actuelle, trois hypothèses majoritaires cherchent à expliquer l’apparition de ce processus : évolutive, congruente et intrinsèque. Pour tester ces hypothèses, j’ai choisi d’étudier les réseaux de régulation. Pour cela, j’ai réutilisé un modèle théorique pour simuler in silico l’évolution des architectures génétiques, et les analyser par les outils de la génétique quantitative. J’ai d’abord étudié les comportements évolutifs de notre modèle et sa capacité de réponse à la sélection stabilisante. Outre l’analyse de l’impact des paramètres du modèle, j’ai mis en évidence l’absence d’équilibre mutation – sélection – dérive après des milliers de générations du fait de l’augmentation progressive de la canalisation. J’ai ensuite montré que les réseaux soumis à des mutations fréquentes et fortes, sélectionnés vers des optimums phénotypiques extrêmes, et dans lesquels certains gènes sont laissés libres d’évoluer sont plus aptes à faire évoluer de la canalisation génétique. Ces résultats nous ont amenés à proposer un double mécanisme impliqué dans l’évolution de la canalisation dans les réseaux de régulation : la réduction de la cible mutationnelle et la redondance de la régulation génique. Je termine ce manuscrit en présentant quelques pistes d’études complémentaires, portant notamment sur l’étude de la canalisation contre les perturbations environnementales et l’utilisation de modèles alternatifs. / Genetic canalization is defined as the capacity of an organism to undergo a normal development even when the genome is altered by mutations. Currently, three main hypotheses are prone to explain the apparition of such a process: evolutionary, congruent and intrinsic. To test these hypotheses, I chose to study gene regulatory networks. To this end, I used a theoretical model, ran in silico simulations, and analyzed the genetic architecture by using quantitative genetics tools. I first studied the evolutionary behavior of the model, and its capacity to respond to stabilizing selection. In addition to the sensitivity analysis to model parameters, I evidenced the absence of mutation-selection-drift equilibrium after several thousand generations, which reveals the evolution of canalization. I also showed that networks submitted to frequent and large mutations, and/or selected toward extreme phenotypic optima are more prone to evolve genetic canalization. This result leads us to propose a two-fold mechanism able to explain the evolution of canalization in gene regulatory networks: shrinkage of mutational targets and redundancy in genetic regulation. At the end of this manuscript, I propose some possible future studies, such as the study of canalization towards environmental perturbations, and use of alternative models.

La variabilité phénotypique existante au sein d’une population est d’une importance cruciale ; elle permet l’adaptation à de nouvelles conditions par la sélection naturelle de traits bénéfiques. La variabilité phénotypique est le résultat du polymorphisme génétique de chaque individu, couplé à l’influence de divers facteurs environnementaux. Ces travaux ont pour objectif d’élucider quels sont les facteurs génétiques responsables de la variabilité phénotypique de chaque individu afin de comprendre comment celle-ci évolue de génération en génération et peut s’accentuer au-delà des prédispositions parentales. Finalement, les résultats obtenus seront utilisés pour prédire un phénotype à partir d’un génotype inconnu. Nous avons utilisé des techniques de phénomique et de génomique de haut débit pour décomposer avec une précision inédite la variabilité phénotypique d’une large population de souches diploïdes de Saccharomyces cerevisiae. Le génotype exact de plus de 7000 souches uniques a ainsi été obtenu via le croisement et le séquençage de souches haploïdes distinctes. Nous avons mesuré la capacité de croissance de ces souches et identifié les composants génétiques influant sur ce trait. De plus, nous avons identifié des « loci de caractères quantitatifs » additifs et non-additifs, et étudié la fréquence du phénomène d’hétérosis et ses mécanismes. Enfin, en utilisant les données phénotypiques et génotypiques de la même population de levures, nous avons pu prédire les traits de chaque individu avec une presque parfaite exactitude. Ces travaux ont ainsi permis d’identifier avec précision les facteurs génétiques modulant la variation phénotypique d’une population diploïde, et de prédire un trait à partir du génotype et de l’ensemble des données phénotypiques. En plus de ce projet, nous travaillons aussi sur l’identification des bases génétiques à l’origine de la non-viabilité des gamètes, ainsi que sur la compréhension des caractères complexes chez des souches hybrides intra-espèce. De par l’étude de 9000 gamètes séquencés issus de six hybrides différents, nous avons pour objectif de caractériser leur profil de recombinaison et d’observer quelle est l’influence du fond génétique sur ce dernier. De plus, nous avons caractérisé la capacité de croissance de ces gamètes dans neuf conditions environnementales différentes et nous prévoyons de disséquer l’architecture génétique de ces traits dans différents fonds génétiques. / The phenotypic variation between individuals in a population is of crucial importance. It allows populations to evolve to novel conditions by the natural selection of beneficial traits. Variation in traits can be caused by genetic or environmental factors. This work endeavors to study the genetic factors that underlie phenotypic variation in order to understand how variation can be created from one generation to the next; to know what genetic mechanisms are most prominent; to learn how variation can extend beyond the parents; and finally, to use this in order to predict phenotypes of unknown genetic constellations. We used large scale phenomics and genomics to give an unprecedented decomposition of the phenotypic variation in a large population of diploid Saccharomyces cerevisiae strains. Constructing phased outbred lines by large scale crosses of sequenced haploid strains allowed us to infer the genetic makeup of more than 7,000 colonies. We measured the growth of these strains and decomposed the phenotypic variation into its genetic components. In addition, we mapped additive and nonadditive quantitative trait loci, we investigated the occurrence of heterosis and its genetic basis, and using the same populations we used phenotypic and genetic data to predict traits with near perfect accuracy. By using the phased outbred line approach, we succeeded in giving a conclusive account of what genetic factors define phenotypic variation in a diploid population, and in accurately predicting phenotypes from genetic and phenotypic data. Beyond the phased outbred line project, I am currently investigating the genetic basis of gamete inviability and complex traits in intraspecies yeast hybrids. Using 9,000 sequenced gametes from six different hybrids we aim to characterize their recombination landscape and how the genetic background influences it. Furthermore, we have phenotyped these gametes in nine conditions and will dissect the genetic architecture of these traits across multiple genomic backgrounds.

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