Les éléments transposables sont des composants majeurs de la plupart des génomes, et leur impact sur l’évolution des génomes est maintenant bien documenté. Cependant, la manière par laquelle ils participent au transcriptome n’est pas encore clairement établie. En utilisant le génome séquencé de Drosophila melanogaster et les bibliothèques d’EST, nous avons déterminé les insertions d’éléments transposables qui sont transcrites sans équivoque, ainsi que leur localisation dans le génome séquencé de D.melanogaster. Nous montrons que la plupart des familles d’éléments transposables sont transcrites, et nous identifions spécifiquement 69 insertions d’éléments transposables exprimés, dont la moitié réside dans des gènes, la plupart dans des introns et des régions régulatrices 5’UTR. / Transposable elements (TEs) are major components of most genomes, and their impact on genome evolution is now well documented. However, the way they affect the transcriptome is still not clearly established. Using the sequenced genome of Drosophila melanogaster and EST libraries (“Expressed Sequence Tag”, large tags (~500bp) corresponding to subsequences of a transcribed cDNA sequences), we describe here the TE insertions that are unequivocally transcribed, and we have determined their location in the sequenced genome of Drosophila melanogaster. We show that most TE families are transcribed, and we have specifically identified 69 expressed TE insertions, half of which are located inside genes, mostly within introns and 5′UTRs regulatory regions.

La caractérisation moléculaire de la réponse des plantes aux contraintes environnementales permet de mieux comprendre les bases de l’adaptation des plantes à leur milieu, et pourrait aider à l’amélioration des plantes cultivées. L’épigénome est constitué de l’ensemble des marques présentes sur la chromatine et participe à la régulation de l’expression du génome, notamment au cours du développement. Il contribue aussi à la stabilité des génomes, notamment en empêchant la transposition des éléments transposables (ET). L’épigénome varie en fonction des contraintes environnementales et une meilleure compréhension de ces variations pourrait permettre d’apporter une vision nouvelle de l’interaction entre la plante et son environnement. Cependant, l’étendue des modifications de l’épigénome, le type de séquences affectées et les mécanismes impliqués restent à déterminer. Dans ce cadre, j’ai analysé l’impact du froid sur le méthylome du maïs, une plante à génome complexe riche en ET. Dans un premier axe, j’ai analysé le méthylome d’un génotype sensible au froid, B73, par séquençage haut-débit d’ADN traité au bisulfite de sodium (BS-seq). Cette analyse comparative entre plantes « stressées » et « non stressées » a été menée (i) à l’échelle chromosomique, sans a priori sur le niveau de variation de méthylation de l’ADN et (ii) à l’échelle locale (régions différentiellements méthylées, ou « DMR ») en fixant des niveaux de variations forts (>10%). Ces deux types d’analyses ont permis de montrer que le froid déclenche une hyperméthylation à l’échelle du génome, à laquelle se superposent des hyper- et hypométhylations à l’échelle locale. Ces variations sont observées pour les trois contextes de cytosine et dans différentes régions génomiques associées aux gènes et aux ET. Ceci suggère l’activation parallèle de plusieurs mécanismes de régulation de la méthylation de l’ADN en réponse au froid. Dans un second axe, j’ai suivi ces DMR au cours du développement et dans la descendance afin d’étudier leur transmission, en lien avec leur localisation génomique et les contextes de cytosine affectés. Dans un troisième axe, j’ai étudié le lien entre variations de méthylation et sensibilité au froid en comparant la réponse du méthylome chez trois génotypes de maïs (B73, F2 et F331) présentant une réponse phénotypique contrastée pour ce caractère. / Molecular characterization of plant response to environnemental constraints allows to both better understand plant adaptation and help crop improvement. The epigenome is composed of chromatin marks and participates to the regulation of genome expression, notably through development. It is also involved in genome stability, essentially by preventing the transposition of transposable elements (TE). The epigenome can be modified by environmental cues and better understanding this variation could give new insights on the interaction between the plant and its environnement. However, the extent of this modification, targeted sequences and underlying mecanisms remain to be elucidated. In this context, I analyzed the impact of cold on the methylome of maize, a plant with a complex genome with high proportion of TEs. In a first part, I analyzed the methylome of a cold-sensitive genotype, B73, using whole genome bisulfite sequecing (BS-seq). This comparative analysis between “stressed” and “unstressed” plants was carried out (i) at the chromosome scale, without a priori definition of a DNA methylation difference and (ii) at a localized scale (Differentially Methylated regions, « DMRs ») using high minimum methylation difference rate (10%). These two types of analysis revealed that cold triggers hypermethylation at the genome scale, as well as. hyper-and-hypo-methylation at the local scale. These variations were observed in the 3 contexts of cytosine and occur in different genomic regions associated with genes and TEs. This suggests the parallel activation of different regulatory pathways in response to cold. In a second part, I focused on following-up methylation changes through development and in the progeny in conjunction with the genomic sequences and the cytosine context involved. In a third part, I studied the relationship between methylome variations and cold sensitivity by comparing the methylomes of three maize genotypes (B73, F2 and F331) with a contrasted phenotypic response to cold.

La céréaliculture occupe une place importante dans l’agriculture mondiale et contribue à la sécurité alimentaire des populations. Pour assurer la production des céréales (orge, blé, avoine), il est nécessaire de lutter contre ses ravageurs, essentiellement les pucerons qui sont capables de transmettre plusieurs virus. L’analyse des génomes des pucerons tels que Rhopalosiphum padi, R. maidis, Sitobion avenae, Schizaphis graminum, de leur évolution et de leur relation avec les plantes hôtes (céréales) pourrait contribuer à la mise en place de moyens de lutte pour contrôler les populations de ces ravageurs. Dans ce contexte, cette étude s’est focalisée sur la recherche des éléments transposables des deux superfamilles Tc1-mariner-IS630 et des piggyBac. Les ETs, considérés comme des moteurs de la plasticité génomique et de l’évolution des espèces, sont utilisés en biotechnologie pour développer des outils de transfert de gènes. Dans un premier temps, nous avons recherché des éléments de la famille mariner, ou apparentés à cette famille, dans les génomes séquencés de trois espèces de pucerons : Acyrthosiphon pisum, Myzus persicae et Diuraphis noxia. Sur la base de similitude de séquences, nous avons pu caractériser 183 éléments répartis en trois clades. Le premier, commun aux trois espèces, correspond au clade de la sous-famille irritans DD34D. Il est subdivisé en trois tribus Macrosiphinimar, Batmar-like elements et Dnomar-like elements. Le deuxième comprend l’élément rosa DD41D qui appartient à une famille phylogénétiquement proche de mariner. Le troisième comprend des séquences avec de longues répétitions terminales inversées et inclut deux tribus DD40-41D. Ces deux derniers clades, plus répandus chez A. pisum, dérivent vraisemblablement d’un ancêtre commun et formeraient une nouvelle famille.Dans un deuxième temps, nous avons exploité les résultats de la recherche in silico pour identifier in vitro des éléments de la sous-famille irritans chez les pucerons des céréales et chez leur plante hôte. Deux types d’éléments délétées (MITEs) ont été identifiés chez les pucerons, l’un commun à toutes les espèces avec un pourcentage d’identité supérieur à 98% (Aphidmar) et l’autre spécifique à S. avenae (Samar2). Par ailleurs, les génomes des céréales (orge, blé, brachypodium, égilope) ont été analysés en utilisant comme requêtes des séquences d’éléments de la sous-famille irritans trouvés chez les aphides. Un seul contig de l’orge cultivar barke comprend un élément tronqué de 320 pb, flanqué par de l’ADN génomique de pucerons. La vérification in vitro de la présence de cette séquence chez plusieurs cultivars d’orge révèle deux types de séquences. Le premier est similaire à celui trouvé in silico chez l’orge, le second correspond à l’élément Samar2 délété de 7 nucléotides au niveau du point de cassure de la délétion initiale. Ceci suggère l’existence d’un transfert horizontal entre pucerons des céréales et l’orge. Enfin, l’abondance de données génomiques et la rareté des travaux approfondis portant sur les membres de la superfamille piggyBac, nous ont amenés à analyser in silico leurs caractéristiques, leur distribution et leur évolution. Un total de 117 séquences protéiques de PBLE (éléments autonomes) et de PGBD (éléments domestiqués), ont été utilisées comme requêtes. Quatre groupes structuraux de PBLE ont été définis en fonction de la présence ou absence de répétitions sub-terminales (directes/inversées). Toutefois, il n'existe aucune relation entre ces quatre groupes et la phylogénie des PBLE. Les PGBD soumis à une forte sélection purifiante, sont clairement structurés en neuf groupes dont un correspondant à un nouvel ensemble d’éléments domestiqués trouvé chez les Néopterygiens. L’analyse fine des PGBD révèle que le domaine catalytique de la transposase ancestrale n'est pas toujours conservé. La phylogénie générale des PBLE et des PGBD suggère des événements multiples de domestication des PGBD à partir de différents ancêtres PBLE. / Cereal farming plays an important role in world agriculture and contributes to the food security of the populations. To improve the production of cereals (barley, wheat, oats ...), it is necessary to fight against their pests, especially aphids, able to transmit several viruses. The analysis of aphid’s genomes such as Rhopalosiphum padi, R. maidis, Sitobions avenae and Schizaphis graminum, their evolution and their relationships with their host plants could contribute to define strategies against pest populations. In this context, this work focused on the analysis of transposable elements belonging to Tc1-mariner-IS630 and piggyBac superfamilies. Indeed, TEs are involved in genomic plasticity and evolution of species, and are also used in biotechnology to develop gene transfer tools. In the first chapter, we investigate three available genomes of aphids, namely Acyrthosiphon pisum, Myzus persicae and Diuraphis noxia, to search for elements of the mariner family or close to it. Based on sequence similarities, we were able to characterize 183 elements distributed in three clades. The first one, common to the three species, corresponds to the clade of irritans subfamily DD34D, and is subdivided into three tribes Macrosiphinimar, Batmar-like elements and Dnomar-like elements. The second one includes the rosa element DD41D belonging to a group close to the mariner family. The third one includes sequences with long Terminal Inverted Repeats and is subdivided into two DD40-41D tribes. These two latter clades, more common in A. pisum, likely derive from a common ancestor and would form a new family. In the second chapter, the results of in silico research were exploited, to identify in vitro, elements of the irritans subfamily in cereal aphids and in their host plants as well. Two types of deleted elements (MITEs) have been identified in aphids, one common to all species with a percentage of identity higher than 98% (Aphidmar) and the other one specific to S. avenae (Samar2). In addition, the genomes of cereals (barley, wheat, brachypodium, aegilops) were investigated using as queries sequences of irritans subfamily found in aphids. A single contig identified in Hordeum vulgare (cultivar barke) contains a 320 bp truncated element flanked by genomic DNA of aphids. The presence of this sequence was checked in several barley cultivars by an in vitro approach. Two types of sequences were found. The first one similar to that found in barley from the in silico approach, the second one corresponding to Samar2 element, lacking seven nucleotides at the breaking points of the initial deletion. This suggests a possible horizontal transfer between cereal aphids and barley. In the last chapter, the abundance of genomic data and the scarcity of in-depth research covering all members of the piggyBac superfamily led us to determine in silico their characteristic, their distribution and their evolution. A total of 117 proteic sequences of the PBLE (autonomous elements) and PGBD (domesticated elements) have been used as queries. Four structural groups of PBLE have been identified depending on the presence or absence of sub-terminal repeats (direct / inverted). However, there is no relationship between the structural groups and the phylogeny of these PBLE elements. PGBD are clearly structured into nine main groups including a new group of domesticated elements found in Neopterygii. The catalytic domain of the ancestral transposase is not always preserved, but all these domesticated elements are subjected to a strong purifying selection. The general phylogeny of PBLEs and PGBD suggests multiple and independent domestication events of PGBD from different PBLE ancestors.

Les éléments transposables sont des séquences d'ADN qui ont la capacité de se déplacer dans le génome. Ils peuvent modifier l’architecture et la régulation du génome, et sont ainsi impliqués dans de nombreux désordres pathologiques, congénitaux ou acquis. L’analyse bioinformatique des éléments transposables dans les données de séquençage est la méthode de choix pour comprendre leur biologie. Mon travail de thèse a été dédié à cette question en utilisant des données réelles et simulées. Dans un premier axe, en utilisant un système cellulaire modulant le niveau de méthylation, nous avons révélé que différentes modifications chromatiniennes répressives assurent la mise sous silence des éléments transposables lorsque la méthylation de l’ADN est perdue. Dans un second axe, à l'aide d'une stratégie de mutagenèse aléatoire, nous avons découvert une nouvelle ADN méthyltransférase, spécialisée dans la méthylation des transposons jeunes au cours de la spermatogenèse. De par la nature répétée des éléments transposables, l'analyse des transposons dans les données de séquençage reste cependant un véritable défi. Finalement, dans un troisième temps, j’ai eu recours à une stratégie de simulation pour comparer les différentes méthodes d’alignement et de quantification dans les génomes murin et humain. J'ai ainsi pu élaborer des recommandations pour l'étude des éléments transposables et révéler les limites de détection de certaines familles de transposons. / Transposable elements are DNA sequences that have the ability to move in the genome. They can modify the architecture and the regulation of the genome, and be implicated in different pathological, congenital or acquired disorders. The transposon analysis with sequencing data is the first choice method to understand their biology. My thesis work was dedicated to this question using real and simulated data. In a first research axis, using a cellular system to modulate DNA methylation levels, we revealed that different repressive chromatin modifications ensure the silencing of transposable elements when DNA methylation is lost. In a second axis, using a random mutagenesis strategy, we discovered a new DNA methyltransferase, specialized in the methylation of young transposons during spermatogenesis. However, the analysis of transposons in sequencing datasets is a bioinformatic challenge because of the repeated nature of transposable elements. Eventually, in a third axis, using a simulation strategy applied to the mouse and the human genomes, I systematically compared different alignment and quantification tools. I was able to draw recommendations for the analysis of transposons and to reveal the limits in detecting specific transposons families.

Ce document est dédié à la modélisation dynamique des interactions hôtes-parasites. Il porte sur deux modèles biologiques très différents, mais étudiés à l’aide de modèles épidémiologiques standards construits à partir de systèmes dynamiques à compartiments. La première contribution est l’implémentation d’un modèle ‘micro-parasites’ pour étudier la transmission du parasite protozoaire Trypanosoma cruzi, agent étiologique de la trypanosomiase américaine (ou ‘maladie de Chagas’), au sein d’une communauté d’hôtes synanthropiques et domestiques. L’analyse du modèle mathématique montre pour la première fois dans ce système biologique un effet de dilution associé aux hôtes aviaires, ainsi que la possibilité de réduire la transmission à l’homme par modification de la composition de la communauté d’hôtes domestiques. La seconde contribution porte sur la dynamique des ‘parasites génomiques’ que sont les éléments transposables. En utilisant les analogies entre concepts de génomique et d’écologie proposées par l’approche d’ « Écologie du génome », il a été possible d’adapter des modèles développés pour les ‘macro-parasites’ à la dynamique d’éléments transposables de classe 1, les retro-transposons. L’analyse de cesmodèles permet de formuler des hypothèses sur l’importance relative de la démographie des hôtes, de la distribution du nombre de copies entre les individus et des mécanismes moléculaires de silencing de ces éléments, sur leurpersistance au sein de population d’hôtes se reproduisant de façon asexuée. / This document is dedicated to the dynamic modeling of host-parasite interactions. It is about two distant biological models, who are studied using standard epidemiological models built from dynamic compartmental models. The first contribution is the implementation of a 'micro-parasites' model to study the transmission of the protozoan parasite Trypanosoma cruzi, the etiological agent of American trypanosomiasis (or 'Chagas' disease), within a host community of synanthropic and domestic animals. The analysis of the mathematical model shows for the first time in this biological system a dilution effect associated with avian hosts, as well as the possibility of reducing the transmission to humans by modifying the composition of the domestic host communities. The second contribution deals with the dynamics of the "genomic parasites" that are the transposable elements. Using the analogies between genomics and ecology concepts proposed by the "Genome Ecology" approach, it was possible to adapt models developed for 'macro-parasites' to the dynamics of transposable elements of class 1, retro-transposons. The analysis of these models makes it possible toformulate hypotheses on the relative importance of the host demography, the distribution of the number of copies between individuals and the molecular mechanisms of silencing of these elements, on their persistence within the population of hosts reproducing asexually.

Une grande partie du génome des eucaryotes est constituée d’éléments transposables(ET). Ces séquences d’ADN répétées ont la capacité de se déplacer d’un site chromosomiqueà un autre et de multiplier le nombre de leurs copies, pouvant ainsi être la cause d’uneinstabilité génétique. Face à ce potentiel de mutagénèse, un certain nombre de systèmes ontété sélectionnés dans les génomes eucaryotes qui conduisent à une réduction de l’activité desET. Notamment, chez la drosophile, on a récemment mis en évidence des mécanismes derégulation impliquant les modifications d’histones, et une nouvelle classe de petits ARN,appelés piARN, qui contrôlent spécifiquement les éléments transposables dans les tissusreproducteurs.tirant est un rétrotransposon à LTR de la drosophile, de type Gypsy, isolé au sein dulaboratoire dans les populations naturelles de D. simulans, où le nombre de ses copies estvariable entre populations. Cet ET possède la même structure génomique que les rétrovirus.Dans la première partie de cette thèse, j’ai caractérisé un élément tirant actif dans lespopulations naturelles de D. simulans. Je me suis intéressé en particulier au gène de laprotéine d’enveloppe (env), qui confère le caractère infectieux du rétrovirus. La comparaisondes transcrits et de la protéine du gène env entre populations de D. simulans a montré quetirant est actif dans une population, et cette activation est associée à sa mobilisation, alors quedans les autres populations tirant est présent, mais régulé.Dans la deuxième partie de mon travail, je me suis intéressé à l’étude de l’influence detirant sur la structure de la chromatine au niveau de son site d’insertion et à son influence surl’expression des gènes voisins. J’ai étudié trois modifications d’histones dans troispopulations naturelles, dont une où tirant est inséré dans un intron du gène tkv. Les résultatsobtenus montrent que tirant est capable de modifier la structure de la chromatine au niveau deson site d’insertion, mais aussi en amont, par l’hétérochromatinisation d'un promoteur du gènetkv, en affectant ainsi son taux de transcription.Enfin, je me suis intéressé à la régulation post-transcriptionnelle de tirant par lespiARN. Par l’analyse de croisements intraspécifiques entre des souches contenant ou non descopies de tirant dans l’euchromatine, j’ai montré qu’une régulation post-transcriptionnelle parles piARN germinaux qui contrôle tirant dans les cellules folliculaires de l’ovaire. J’ai aussipu montrer une expression variable entre populations des gènes de la voie piARN. / Eukaryotic genomes harbor a wide variety of repeated sequences, such as transposableelements (TE). These sequences are able to move from one chromosomal site to another, tomultiply their number of copies, and can be the cause of a genetic instability. Sophisticatedgenomic defenses have evolved to restrict their activity. In Drosophila, epigeneticmodification such as post-translational histone modifications and RNAi interference areinvolved in TE silencing in reproductive tissues. The silencing of an LTR like element, tirant,has been deeply analyzed in this work. Tirant is a Gypsy like element, isolated in ourlaboratory in natural populations of D. simulans, in which a high level of copy numbervariability is observed between strains.Here, I first describe an active tirant element in natural populations of D. simulans. Ihave focused on the envelope protein gene (env), which confers the infectious behavior to theretrovirus. By comparison of tirant transcripts level and protein localization between naturalpopulations of D.simulans, I showed that tirant is active in one population, and this activationis correlated with its mobilization.I then focused on the effects of TE insertions on chromatin structure and in its influenceon the expression of the nearby genes. I studied three histone modification marks in threenatural populations, in the locus in which tirant was inserted. I show that tirant is associatedwith repressive marks and active marks, which explains the activity of the element. We alsoshowed that tirant modifies the structure of the chromatin at the level of its site of insertion,but also upstream, by the heterochromatinization of the promoter of tkv gene, interfering withthe level of transcription of the gene.Finally, I was interested in the post-transcriptional regulation of tirant involving thepiRNA pathway. By crossing D.simulans strains which contains different copy numbers ofthe tirant element, I showed that tirant is regulated in the follicular cells by the germ linepiRNA pathway. I was also able to show a variable expression between populations of theproteins of the piRNA pathway.

De nos jours, la quantité de données génétiques séquencées augmente de manière exponentielle sous l'impulsion d'outils de séquençage de plus en plus performants, tels que les outils de séquençage haut débit en particulier. De plus, ces données sont de plus en plus facilement accessibles grâce aux bases de données en ligne. Cette plus grande disponibilité des données ouvre de nouveaux sujets d'étude qui nécessitent de la part des statisticiens et bio-informaticiens de développer des outils adaptés. Par ailleurs, les progrès constants de la statistique, dans des domaines tels que le clustering, la réduction de dimension, ou les régressions entre autres, nécessitent d'être régulièrement adaptés au contexte de la bio-informatique. L’objectif de cette thèse est l’application de techniques avancées de statistiques à des problématiques de bio-informatique. Dans ce manuscrit, nous présentons les résultats de nos travaux concernant le clustering de séquences génétiques via Laplacian eigenmaps et modèle de mélange gaussien, l'étude de la propagation des éléments transposables dans le génome via un processus de branchement, l'analyse de données métagénomiques en écologie via des courbes ROC ou encore la régression polytomique ordonnée pénalisée par la norme l1. / Nowadays, the quantity of sequenced genetic data is increasing exponentially under the impetus of increasingly powerful sequencing tools, such as high-throughput sequencing tools in particular. In addition, these data are increasingly accessible through online databases. This greater availability of data opens up new areas of study that require statisticians and bioinformaticians to develop appropriate tools. In addition, constant statistical progress in areas such as clustering, dimensionality reduction, regressions and others needs to be regularly adapted to the context of bioinformatics. The objective of this thesis is the application of advanced statistical techniques to bioinformatics issues. In this manuscript we present the results of our works concerning the clustering of genetic sequences via Laplacian eigenmaps and Gaussian mixture model, the study of the propagation of transposable elements in the genome via a branching process, the analysis of metagenomic data in ecology via ROC curves or the ordinal polytomous regression penalized by the l1-norm.

Les génomes nucléaires eucaryotes sont empaquetés au sein d’une structure nucléoprotéique appelée chromatine et dont l’unité fondamentale est le nucléosome. Celui-ci est composé d’un octamère d’histones, contenant deux molécules de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4, autour duquel 147 pb d’ADN sont enroulées. Les modifications post-traductionnelles (PTMs) des histones et de l’ADN (méthylation des cytosines) constituent des marqueurs épigénomiques primaires qui participent à la régulation et au contrôle de l’accessibilité des différentes régions du génome. Ainsi, la chromatine forme une structure dynamique influencée par les changements environnementaux et développementaux et contribue à orchestrer diverses fonctions du génome. L’objectif principal de ma thèse était de caractériser l’organisation spatiale et la dynamique temporelle des états chromatiniens chez Arabidopsis par des approches à l’échelle du génome permettant l’étude des profils de méthylation de l’ADN et d’un ensemble de modifications post-traductionnelles des histones. La méthylation de l’ADN, une marque caractéristique de l’inactivation épigénétique et de l’hétérochromatine chez les plantes et les mammifères, est largement confinée aux séquences répétées, dont les éléments transposables (TEs). Par mon travail de thèse, j’ai montré que chez Arabidopsis les séquences de TEs faiblement méthylées ou non associées à des petits ARN interférents (siRNAs), donc potentiellement non régulées par la machinerie de RNA-directed DNA methylation (RdDM), peuvent acquérir une méthylation de l’ADN par diffusion à partir de séquences adjacentes ciblées par les siRNAs. Cette diffusion de la méthylation de l’ADN sur des régions promotrices pourrait expliquer, au moins en partie, l’impact négatif des TEs associés à des siRNAs sur l’expression des gènes à proximité immédiate. Dans une seconde partie de ma thèse, j’ai contribué à l’analyse intégrée de la méthylation de l’ADN et de onze modifications des histones. L’utilisation d’analyses combinatoires et en cluster m’a permis de montrer que l’épigénome d’Arabidopsis présente des principes simples d’organisation. En effet, ces analyses nous ont conduit à distinguer quatre états fondamentaux de la chromatine chez Arabidopsis, préférentiellement associés aux gènes actifs, aux gènes inactifs, aux TEs et aux régions intergéniques. Dans une troisième partie, j’ai intégré des données épigénomiques et transcriptomiques obtenues à différents temps afin d’étudier les dynamiques temporelles des états chromatiniens en réponse à un stimulus externe, la première exposition à la lumière des plantules suite à la germination. Ces travaux nous ont permis de montrer que la monoubiquitination de l’histone H2B participe à la modulation fine et sélective des changements rapides de l’expression de gènes. L’ensemble du travail présenté contribue à une meilleure compréhension de l’organisation de la chromatine le long du génome des plantes et de la dynamique des états chromatiniens en réponse aux changements de l’environnement. / Eukaryotic genomes are packed into the confines of the nucleus through a nucleoproteic structure called chromatin. Chromatin is a dynamic structure that can respond to developmental or environmental cues to regulate and orchestrate the functions of the genome. The fundamental unit of chromatin, the nucleosome, consists of a protein octamer, which contains two molecules of each of the core histone proteins (H2A, H2B, H3, H4), around which 147 bp of DNA is wrapped. The post-translational modifications (PTMs) of histones and methylation of the cytosine residues in DNA (DNA methylation) constitute primary epigenomic markers that dynamically alter the interaction of DNA with nucleosomes and participate in the regulation and control access to the underlying DNA. The main objective of my thesis was to understand the spatial and temporal dynamics of chromatin states in Arabidopsis by investigating on a genome-wide scale, patterns of DNA methylation and a set of well-characterized histone post-translational modifications. DNA methylation, a hallmark of epigenetic inactivation and heterochromatin in both plants and mammals, is largely confined to transposable elements and other repeat sequences. I show in this thesis that in Arabidopsis, methylated TE sequences having no or few matching siRNAs, and therefore unlikely to be targeted by the RNA-directed DNA methylation (RdDM) machinery, acquire DNA methylation through spreading from adjacent siRNA-targeted regions. Further, I propose that this spreading of DNA methylation through promoter regions can explain, at least in part, the negative impact of siRNA-targeted TE sequences on neighbouring gene expression. In a second part, I have contributed to integrative analysis of DNA methylation and eleven histone PTMs. I have shown through combinatorial and cluster analysis that the Arabidopsis epigenome shows simple principles of organisation and can be distinguished into four primary types of chromatin that preferentially index active genes, repressed genes, TEs, and intergenic regions. Finally, in a third part, I integrated epigenomics with transcriptome data at three different time points in a developmental window to investigate the temporal dynamics of chromatin states in response to an external stimulus. This used the light-induced transcriptional response as a paradigm to assess the impact of histone H2B monoubiquitination (H2Bub), and showed that this PTM is associated with active transcription and implicated in the selective fine-tuning of gene expression. Taken together, the work presented here contributes significantly to our understanding of the spatial organisation of chromatin states in plants, its dynamic nature and how it can contribute to allow plants to respond to a signal from the environment.

L'abondance d'éléments génétiques mobiles dans le génome humain a un impact critique sur son évolution et son fonctionnement. Même si la plupart des éléments transposables sont inactifs en raison de l'accumulation de mutations, le rétrotransposon LINE-1 (Long Interspersed Element-1 ; ou L1) continue de se mobiliser et d'influer sur notre génome. Il a ainsi contribué à l'évolution de l'homme moderne, mais aussi à l'apparition de maladies génétiques. Les séquences du rétrotransposon L1 correspondent à 17% de la masse totale de l’ADN humain. Une copie active de L1 est capable de se mobiliser de manière autonome par un mécanisme de type «copier-coller» qui met en jeu un intermédiaire ARN et une étape de transcription inverse. Cependant, peu de choses sont connues sur les voies cellulaires impliquées dans la mobilité de L1. Notre laboratoire a découvert, par des cribles double-hybride, une interaction entre la protéine ORF2p de L1 et le récepteur α associé aux œstrogènes (ERRα), un membre de la famille des récepteurs nucléaires. Ici, nous avons confirmé et étendu cette observation à plusieurs autres membres de la superfamille des récepteurs de stéroïdes en utilisant un test de double-hybride fluorescent (F2H) en culture cellulaire. Pour mieux comprendre le rôle potentiel d’ERRα dans le cycle de rétrotransposition de L1, nous avons effectué des expériences de suppression et de surexpression qui suggèrent qu’ERRα est un régulateur positif de la rétrotransposition. Collectivement, ces données relient les voies de signalisation des stéroïdes avec la régulation post-traductionnelle de la rétrotransposition de L1, ce qui suggère un modèle par lequel ERRα et probablement autres récepteurs nucléaires peuvent recruter le RNP L1 vers des emplacements chromosomiques spécifiques. / The abundance of genetic mobile elements in our DNA has a critical impact on the evolution and function of the human genome. Even if most transposable elements are inactive due to the accumulation of mutational events, the Long INterspersed Element-1 (LINE-1 or L1) retrotransposon continues to diversify and impact our genome, being involved in the evolution of modern humans and in the appearance of genetic diseases or in tumorigenesis. L1 forms 17% of human DNA. It is autonomously active being replicated through an RNA-mediated ‘copy-and-paste’ mechanism. The L1 element encodes two proteins, ORF1p and ORF2p, which associate with the L1 mRNA to form L1 ribonucleoprotein particles, the core of the retrotransposition machinery. However, little is known about the cellular pathways involved in L1 replication. Our laboratory has discovered by yeast 2-hybrid screens an interaction between L1 ORF2p and the estrogen-related receptor α (ERRα), a member of the nuclear receptor family. Here, we confirmed and extended this observation to several other members of the steroid receptor superfamily using a fluorescent two-hybrid assay (F2H) in human cultured cells. To get further insight into the potential role of ERR in L1 replication cycle, we performed ERR siRNA-mediated knock-down and overexpression experiments, which suggest that ERR is a positive regulator of retrotransposition. Moreover, the artificial tethering and concentration of ERR to a large and repetitive genomic array inhibits retrotransposition. Collectively, these data link steroid signaling pathways with the post-translational regulation of L1 retrotransposition, suggesting a model by which ERRα, and probably several other nuclear receptors, can recruit the L1 RNP to specific chromosomal locations, acting as tethering factors.

Les deux sous-espèces annuelles de téosinte qui sont les plus proches parents sauvages du maïs sont d’excellents systèmes pour étudier l’adaptation locale car leur distribution couvre un large éventail de conditions environnementales. Zea mays ssp. parviglumis est distribuée dans un habitat chaud et mésique en dessous de 1800 m d’altitude, tandis que Zea mays ssp. mexicana prospère dans des conditions sèches et fraîches à des altitudes plus élevées. Nous avons combiné des approches d’écologie inverse et de génétique association afin d’identifier les déterminants de l'adaptation locale chez ces téosintes. A partir de données de séquençage haut débit (HTS) de six populations comprenant des populations de basses et hautes altitudes, une étude précédente a identifié un sous-ensemble de 171 polymorphismes nucléotidiques (SNP candidats) présentant des signaux de sélection. Nous avons utilisé ces SNP candidats pour tester l'association entre la variation génotypique et phénotypique de 18 caractères. Notre panel d’association était constitué de 1663 plantes provenant de graines de 11 populations échantillonnées le long de deux gradients d’altitude. Il a été évalué deux années consécutives dans deux jardins communs. Nous avons contrôlé sa structure neutre en utilisant 18 marqueurs microsatellites. La variation phénotypique a révélé l’existence d'un syndrome altitudinal composé de dix caractères. Nous avons ainsi observé une augmentation de la précocité de floraison, une diminution de la production de talles et de la densité en stomates des feuilles ainsi qu’une augmentation de la taille, de la longueur et du poids des grains avec l’élévation croissante du site de collecte des populations. Ce syndrome a évolué malgré des flux de gènes détectables entre populations. Nous avons montré que le pourcentage de SNP candidats associés aux différents caractères dépend de la prise en compte de la structure neutre soit en cinq groupes génétiques (71,7%), soit en onze populations (11,5%), indiquant une stratification complexe. Nous avons testé les corrélations entre les variables environnementales et les fréquences alléliques des SNP candidats sur 28 populations. Nous avons trouvé un enrichissement à la fois pour les SNP présentant des associations phénotypiques et les SNP présentant des corrélations environnementales dans trois larges inversions chromosomiques, confirmant leur rôle dans l'adaptation locale. Pour explorer la contribution de la variation structurale à l'évolution adaptative, nous nous sommes concentrés sur le contenu en éléments transposables (ET) des six populations séquencées (HTS). Ces éléments constituent environ 85% du génome du maïs et contribuent à sa variabilité fonctionnelle. Nous avons effectué la première description populationnelle des ET chez les téosintes pour deux catégories d'insertions, celles présentes et celles absentes du génome de référence du maïs. Nous avons ensuite recherché des polymorphismes liés aux ET présentant des fréquences alléliques contrastées entre populations de basse et de haute altitude. Nous avons identifié un sous-ensemble d'insertions candidates. Enfin, nous avons génotypé, dans un panel d'association, des insertions d’ET connues pour avoir contribué à l'évolution phénotypique du maïs. Contrairement à ce qui a été observé chez le maïs, certaines de ces insertions n'ont montré aucun effet phénotypique chez les téosintes, ce qui suggère que leur effet dépend du fond génétique. Notre étude apporte de nouvelles connaissances sur l’adaptation altitudinale chez les plantes. Elle ouvre la discussion sur les défis soulevés par l'utilisation (1) d'outils de génomique des populations pour identifier la variation adaptative, (2) de populations naturelles en génétique d’association, et (1) de ressources génétiques sauvages pour l'amélioration des espèces cultivées. / Annual teosintes, the closest wild relatives of maize, are ideal systems to study local adaptation because their distribution spans a wide range of environmental conditions. Zea mays ssp. parviglumis is distributed in warm and mesic conditions below 1800 m, while Zea mays ssp. mexicana thrives in dry and cool conditions at higher altitudes. We combined reverse ecology and association mapping to mine the determinants of local adaptation in annual teosintes. Based on high throughput sequencing (HTS) data from six populations encompassing lowland and highland populations growing along two elevation gradients, a previous study has identified candidate regions displaying signals of selection. Within those regions a subset of 171 candidate single nucleotide polymorphisms (SNPs) was selected to test their association to phenotypic variation at 18 traits. Our association panel encompassed 1663 plants from seeds collected from eleven populations sampled along the elevation gradients. We benefit from phenotypic characterization of all the plants in two common gardens located at mid-altitude for two years. In addition, we controlled for neutral structure of the association panel using 18 microsatellite markers. Phenotypic variation revealed the components of an altitudinal “syndrome” constituted of ten traits evolving under spatially-varying selection. Plants flowered earlier, produced less tillers, displayed lower stomata density and carried larger, longer and heavier grains with increasing elevation of population collection site. This syndrome evolved in spite of detectable gene flow among populations. The percentage of candidate SNPs associated with traits largely depended on whether we corrected for five genetic groups (71.7%) or eleven populations (11.5%), thereby indicating a complex stratification in our association panel. We analyzed correlations between environmental variables and allele frequencies of candidate SNPs on a larger set of 28 populations. We found enrichment for SNPs displaying phenotypic associations and environmental correlations in three Mb-scale chromosomal inversions, confirming the role of these inversions in local adaptation. To further explore the contribution of structural variation to adaptive evolution, we focused on transposable element (TE) content of the HTS populations. TEs constitute ~85% of the maize genome and contribute to its functional variability via gene inactivation and modulation of gene expression. We performed the first population-level description of TEs in teosintes for two categories of insertions, those present and those absent from the maize reference genome. We next searched for TE polymorphisms with contrasted allele frequencies between lowland and highland populations. We pinpointed a subset of adaptive candidate insertions. Finally, we genotyped in our association panel TE insertions known to have contributed to maize phenotypic evolution. In contrast to what was found in maize, some of these insertions displayed no measurable phenotypic effects in teosintes, suggesting that their effect depends on the genetic background. Altogether our study brings new insights into plant altitudinal adaptation. It opens discussions on the challenges raised by the use (1) of population genomic tools to discover adaptive variation, (2) of natural populations in association mapping, and (1) of wild genetic resources in crop breeding.