Les mitochondries sont les organites qui produisent la quasi-totalité de l'énergie consommée par les cellules animales. Une de leurs particularités est de posséder leur propre génome (ADN mitochondrial ou ADNmt) qui, avec la collaboration indispensable du génome du noyau (ADNnu), code pour les enzymes responsables de la production d'énergie. Pour que ces organites fonctionnent adéquatement, la co-adaptation des génomes nucléaire et mitochondrial a donc été fortement sélectionnée au cours de l'évolution. Chez les animaux, l'ADNmt est, contrairement à l'ADNnu, transmis uniquement par la mère. L'hypothèse principale pour expliquer cette transmission maternelle est qu'en ayant un seul type d'ADNmt, la cellule évite un conflit génomique dans l'association intime entre les protéines codées par l'ADNnu et l'ADNmt. Autrement dit, la sélection naturelle doit nécessairement prévenir toute modification du dialogue entre les mitochondries et le noyau, ce qui risquerait de provoquer l'apparition de phénotypes indésirables. Exceptionnellement, un seul système mitochondrial «défie» les lois naturelles de transmission des mitochondries chez les animaux, soit celui observé chez les moules marines et d'eau douce. Les espèces possédant ce système atypique, qui est désigné sous le nom de double transmission uniparentale (doubly uniparental inheritance ou DUI), sont caractérisées par la présence de 2 ADNmt distincts qui sont hérités de façon maternelle (ADNmt F) ou paternelle (ADNmt M). Généralement, les femelles ne contiennent que le génome F, tandis que les mâles contiennent le génome F dans leurs tissus somatiques et le génome M dans leur gonade. Les divergences observées entre les ADNmt F et M chez les moules peuvent atteindre plus de 20%. Les produits des deux différents ADN mitochondriaux peuvent-ils interagir normalement avec les protéines d'un seul système génétique nucléaire (en raison de la co-adaptation intergénomique), ou certaines fonctions mitochondriales ont-elles été compromises dans une ou l'autre des lignées (c'est-à-dire, lignée paternelle M ou maternelle F)? Le grand attrait du système de double transmission uniparentale est qu'il est le seul modèle animal où deux variantes mitochondriales fortement divergentes coexistent et s'adaptent simultanément à un génome nucléaire. Cette situation se traduit probablement par la conservation d'une intégrité relative de certaines portions du génome mitochondrial afin de maintenir une cohésion fonctionnelle dans les interactions structurales entre les peptides mitochondriaux et nucléaires. L'objectif principal de mon doctorat était d'étudier l'évolution moléculaire des génomes mitochondriaux F et M chez les espèces du genre Mytilus et de vérifier si les gènes nucléaires et les gènes F et M mitochondriaux qui interagissent pour former le système de la phosphorylation oxydative co-évoluent. Spécifiquement, l'objectif premier du chapitre 1 a été d'analyser les ADNmt M et F complets chez trois espèces de moules marines (Mytilus edulis, M trossulus, et M galloprovincialis) afin de vérifier si leur évolution dans un environnement nucléaire commun (ou différent) se traduit par la conservation (ou non) de certaines de leurs portions (c'est-à-dire, évolution congruente des génomes M et F). Pour ce faire, les ADNmt ont été amplifiés par PCR et séquencés à l'aide d'un séquenceur d'ADN automatique. Les principaux résultats ont effectivement démontré que le fait de co-exister dans un même environnement nucléaire contraint les ADNmt F et M à expérimenter des pressions sélectives similaires, ce qui se traduit par une évolution congruente des différentes portions des ADNmt M et F (c'est-à-dire la corrélation positive des patrons de taux de substitution protéiniques). L'objectif du chapitre 2 a été de déterminer, chez les spermatozoïdes, si le remplacement d'un génome M par un génome F avait un effet sur les capacités métaboliques des mitochondries. L'étude visait à déterminer si la co-évolution du génome nucléaire avec deux types d'ADNmt différents avait été favorisée dans une où l'autre des lignées. Pour ce faire, des dosages enzymatiques (activité des complexes mitochondriaux I+Ill, II et IV et de la citrate synthase) ont été réalisés par spectrophotométrie. Les résultats ont démontré que la combinaison «ADNmt récemment-masculinisé -ADNnu» (qui est essentiellement une combinaison ADNmtF -ADNnu) performe mieux au niveau enzymatique que la combinaison «ADNmt M -ADNnu». Le troisième volet a été consacré à l'étude de l'évolution moléculaire des protéines interactives du système énergétique (c'est-à-dire, produits nucléaires et mitochondriaux en contact physique) afin de vérifier si les portions génétiques qui interagissent co-évoluent. Pour ce faire, le gène nucléaire codant pour le transporteur mobile d'électron cytochrome c (CYC) et des gènes mitochondriaux et nucléaires codant pour des sous-unités protéiques des complexes III (ADNmt = CYTB; ADNnu = C3S6) et IV (ADNmt = COX1 et COX2; ADNnu = COX4) du système de la phosphorylation oxydative ont été amplifiés par PCR et séquencés à l'aide d'un séquenceur d'ADN automatique. Les données moléculaires semblent démontrer que la co-évolution entre le génome F et le génome nucléaire est mieux couplée, ce qui vient appuyer les résultats enzymatiques du chapitre 2. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : ADN mitochondrial, Génomique comparative, ADN nucléaire, Mytilus, Co-évolution intergénomique.

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

La chèvre (Capra hircus) est l'un des premiers ongulés domestiqués il y a plus de 10 000 ans dans le croissant fertile. L'histoire de la domestication a été abordée par l'analyse comparée de la diversité génétique des chèvres domestiques et de celle de son ancêtre sauvage (Capra aegagrus). Nous avons tout d'abord mis au point une méthode standard permettant d'établir une nomenclature claire des haplogroupes mitochondriaux, et aussi de définir de nouveaux haplogroupes lorsque cela s'avère pertinent. Cette méthode a été utilisée pour analyser 2430 séquences d'ADN mitochondrial (fragment HV1 de la région de contrôle), incluant 946 nouveaux échantillons issus de régions très peu étudiées jusqu'ici (notamment le Croissant Fertile). Les haplogroupes mitochondriaux présentent une forte diversité génétique qui est essentiellement distribuée entre haplogroupes au sein des régions géographiques. Même avec un jeu de donnée aussi important que celui-ci, il est très difficile de comprendre l'histoire de la domestication en se basant uniquement sur l'analyse des animaux domestiques. L'étude conjointe de la diversité des chèvres et de leurs ancêtres sauvages (les aegagres) ont apporté les informations permettant de reconstituer l'histoire de la domestication. Ces données ont été acquises à partir de 487 aegagres issus de 43 localités recouvrant l'ensemble de l'aire de répartition de l'espèce. Chez les 308 aegagres génétiquement proches des chèvres, nous avons trouvé la signature d'une croissance démographique plus forte que chez les autres aegagres. Cela suggère un nouveau scénario de domestication de la chèvre en deux étapes. La domestication sensu stricto aurait été précédée d'une phase de gestion des troupeaux sauvages par l'homme (la pré-domestication). Ces processus se sont déroulés sur une vaste zone comprenant l'Est de l'Anatolie, l'ensemble du Zagros, le Plateau Iranien Central et le Nord Est de l'Iran, où les aegagres génétiquement proches des chèvres sont toujours présents. L'analyse comparée de la diversité nucléaire et mitochondriale chez les chèvres et les aegagres démontre qu'une grande partie de la diversité génétique sauvage a été capturée par les domestiques. Il n'y a donc pas eu de goulot d'étranglement au moment de la domestication de la chèvre. Ce scénario est très différent des modèles précédents qui mettaient en avant des processus à échelle réduite, avec des centres de domestication très localisés et une forte réduction de diversité génétique.

Les acides nucléiques sont des activateurs puissants des réponses immunitaires innées. Pour lutter contre les infections, les organismes multicellulaires ont développé de multiples façons de détecter les agents pathogènes. L'une d'entre elles est la reconnaissance de l'ADN dans le cytoplasme. La présence d'ADN dans le cytoplasme est généralement liée à des infections par des bactéries ou des virus comme le VIH. La GMP-AMP synthase cyclique (cGAS) est un capteur cytosolique essentiel de l'ADN chez les mammifères. Lors de la reconnaissance de l'ADN, cGAS synthétise le petit second messager cyclique GMP-AMP (cGAMP), qui active les voies de signalisation de l’immunité innée. De plus, cGAS joue un rôle central en réponse aux microbes et au développement de maladies auto-immunes comme les interféronopathies. Cette thèse examine le rôle de cGAS en réponse aux virus et à l’ADN du soi. En explorant la réponse médiée par cGAS en présence du VIH, nous avons constaté que dans les cellules produisant du virus, le cGAMP synthétisé par cGAS est contenu dans des particules virales et des vésicules extracellulaires. Les particules virales délivrent efficacement cGAMP aux cellules cibles et activent une réponse antivirale puissante. Le transfert de cGAMP nécessite une activité catalytique de cGAS et une fusion des particules virales avec les cellules cibles. Nous avons également montré que dans le contexte d'une infection, les virus à ADN tels que MVA et mCMV peuvent conditionner cGAMP. Par conséquent, le transfert de cGAMP médié par une infection virale est un mécanisme de défense généralisé du système immunitaire inné. Nous avons également étudié l'activation du cGAS par l'ADN en se concentrant sur l'ADN de la chromatine nucléaire. Dans les cellules eucaryotes, l'ADN est compartimenté dans deux organelles: le noyau et les mitochondries. La compartimentation nucléaire de l'ADN peut être transitoirement perdue lors de la rupture de l'enveloppe nucléaire pendant la division cellulaire et lors des ruptures d'enveloppes nucléaires dans les cellules dendritiques migrantes (DC). Nous avons constaté que la rupture de l'enveloppe nucléaire ou la perte de l'intégrité de l'enveloppe nucléaire entraînent un recrutement de cGAS sur l'ADN nucléaire. Nous avons également montré que les DC présentent un pool nucléaire de cGAS à l'état basal. La rupture de l'enveloppe nucléaire pendant le cycle cellulaire conduit au recrutement de cGAS à l'ADN nucléaire. En jouant sur la localisation cGAS, nous avons montré que le cGAS est peu actif lorsqu'il se trouve dans le noyau et la transfection d'ADN exogène permet son activité enzymatique complète. L'expression du cGAS localisé dans le noyau des DC a conduit à la maturation des DC et à la production d'interféron de type I (IFN). La région N-terminale de cGAS régule la distribution nucléaire / cytoplasmique de cGAS dans les cellules en interphases et nous avons établi que les lamines A / C sont requises pour l'accès de cGAS à l'ADN nucléaire dans les DC migrantes. De façon inattendue, nous montrons que cGAS n'est pas activé lors de la rupture de l'enveloppe nucléaire. Enfin, nous identifions l'hétérochromatine pericentromérique comme étant l'ADN de liaison préférentielle pour le cGAS nucléaire exprimé dans les DC. Au total, notre étude montre que le noyau agit comme un site intracellulaire immunitaire privilégié pour l'activation de cGAS. Collectivement, nous avons montré une pertinence de l'activation de cGAS lors d'une infection virale et découvert un mécanisme « cheval de Troie » de l'incorporation de cGAMP dans la progénie virale. Nous avons également décrit des mécanismes, encore à définir, qui limitent les réponses à l'ADN de la chromatine dans le noyau. À mesure que les preuves augmentent sur la prise en charge de cGAS en réponse à des agents pathogènes, dans des maladies auto-immunes, en réponse aux dommages causés par l'ADN et dans le développement de la sénescence cellulaire, (...) / Nucleic acids are potent activators of innate immune responses. To control infections, multicellular organisms have developed multiple ways to detect pathogens. One of these is the recognition of DNA in the cytoplasm. Presence of DNA in the cytoplasm is usually linked to infections by bacteria or viruses, such as HIV. Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) is an essential cytosolic sensor for DNA in mammals. Upon DNA recognition, cGAS synthetizes the small second messenger cyclic GMP-AMP (cGAMP), which activates innate immune signaling pathways. cGAS plays a pivotal role in response to microbes and in the development of autoimmune diseases such as interferonopathies. This thesis investigate the role of cGAS in response to viruses and to self DNA. By exploring the cGAS-mediated response to HIV, we found that in cells producing virus, cGAS-synthesized cGAMP is packaged in viral particles and extracellular vesicles. Viral particles efficiently deliver cGAMP to target cells and activate a potent antiviral response. The transfer of cGAMP requires cGAS catalytic activity and fusion of the viral particles with the target cells. We also showed that in the context of an infection, DNA viruses such as MVA and mCMV can package cGAMP. Therefore viral mediated cGAMP transfer is a generalized defense mechanism of the innate immune system. We further investigated cGAS activation by DNA focusing our attention on nuclear chromatin DNA. In eukaryotic cells, DNA is compartmentalized in two organelles: the nucleus and the mitochondrion. Nuclear compartmentalization of DNA can be transiently lost upon nuclear envelope breakdown during cell division and upon nuclear envelope ruptures in migrating dendritic cells (DCs). We found that nuclear envelope breakdown or loss of nuclear envelope integrity leads to cGAS recruitment on the nuclear DNA. We also showed that DCs present with a nuclear pool of cGAS at steady state. Nuclear envelope breakdown during cell cycle leads to cGAS recruitment to the nuclear DNA. By manipulating cGAS localization, we showed that cGAS is poorly active when in the nucleus, and that providing exogenous DNA unmasked its full enzymatic activity. Expression of nuclear localized-cGAS in DCs leads to DCs maturation and Type I interferon (IFN) production. The N-terminal region of cGAS regulates cGAS nuclear/cytoplasmic distribution in interphase cells and we established Lamin A/C as required for cGAS accessibility to nuclear DNA in migrating DCs. Unexpectedly, we show that cGAS is not activated upon nuclear envelope rupture. Finally, we identify the pericentromeric heterochromatin as the preferential binding DNA for expressed nuclear cGAS in DCs. Altogether, our study shows the nucleus to act as an intracellular immune-privileged site for the activation of cGAS. Collectively, we have shown relevance of cGAS activation upon viral infection and uncovered a Trojan horse mechanism of cGAMP incorporation in the viral progeny. We have also described yet to be defined regulatory mechanisms that limit responses towards chromatin DNA in the nucleus. As evidence grows for cGAS involvement in response to pathogens, in autoimmune diseases, in response to DNA damage and in the development of cell senescence, fully understanding the mechanisms of distinction between self and pathogen related DNA by the sensor will be important to develop effective means to regulate the pathway.

En plus des facteurs environnementaux et démographiques, les propriétés génétiques des populations sont devenues une préoccupation majeure pour préserver les populations en déclin de l'extinction. Afin d’acquérir des informations pertinentes pour la planification et la mise en œuvre des stratégies de conservation, les biologistes de la conservation ont réalisé le besoin d’avoir des connaissances en génétique des populations. Grace à l'acquisition de plus en plus rapide et de moins en moins chère d'une large gamme de marqueurs moléculaires, le recours a l’usage de l’outil moléculaire se répand de plus en plus. Ainsi, la génétique de la conservation se confirme comme une discipline à part entière qui est donc l’utilisation de la génétique dans la préservation des espèces comme entités dynamiques capables d'évoluer pour faire face aux changements environnementaux et afin de minimiser leur risque d'extinction. Par le biais de l’utilisation d’un large panel de marqueurs moléculaires (gènes mitochondriaux et nucléaires, microsatellites et SNPs), nous nous sommes intéresse à l’histoire évolutive à différentes échelles spatio-temporelles de la sous-espèce ouest méditerranéenne Testudo. hermanni hermanni (THH), qui présente une distribution insulaire et continentale très fragmentée. Le but de ce travail consiste à 1) comprendre les processus qui expliqueraient la distribution actuelle de la diversité génétique des populations et leur structure, 2) identifier l'origine des populations introduites (à Minorque et au Delta de l’Ebre), et 3) dater l’origine de la sous espèce THH. A l’échelle des populations, il s’agit d’identifier le nombre de groupes génétiques homogènes chez la tortue d’Hermann et le degré de différentiation génétique entre ces groupes afin de définir des unités de conservation évolutivement significatives (ESU) et des unités de gestion (MU). Enfin, nous nous sommes intéresses à l’étude des derniers noyaux de populations de THH dans le Var par des approches de génétique du paysage. Nos résultats ont révélé qu’une divergence par vicariance est à l’ origine de l’apparition de la sous-espèce T.h. hermanni. Ce scenario biogéographique s’expliquerait par les successions d’évènements glaciaires et interglaciaires qu’a connu le Pléistocène depuis plus de 2 MA provoquant un mouvement de retrait de l’espèce vers des zones refuges sur la frange côtière nord-méditerranéenne. Par ailleurs, le patron de différentiation mitochondriale Ile-continent observe et confirme par les microsatellites est très original par rapport à ce qui est connu chez d’autres espèces de reptiles partageant la même aire de distribution. Au vue de l’analyse phylogénétique confirmée par les microsatellites, on peut affirmer que la tortue d’Hermann n’est pas native sur Minorque et qu’elle a une double origine : la première, résultant d’une introduction à partir d’une seule source, probablement d’une population continentale génétiquement proche des Albères. La seconde d'origine insulaire, serait le résultat d’apports multiples, à partir de la Corse, de la Sardaigne ou de la Sicile. Enfin, l’isolement des populations de THH au sein de chaque région géographique reflète une structure génétique très forte. Par conséquent, six unités de gestion (MUs) sont proposées comme unités de conservation et de suivi sur le terrain. / In addition to environmental and demographic factors, the study of genetic properties of populations became inevitable issues in the conservation of declining populations. To acquire relevant information for conservation planning and implementing conservation strategies, conservationists have realized the need of population genetics tools. Moreover, this discipline has become more efficient with the development of a wide range of effective and relatively cheap methods for the characterization of a huge number of molecular markers. This led to define the conservation genetics as a separate discipline, which is the use of genetics in species preservation as dynamic entities evolving to cope with environmental changes and to minimize their extinction risk. Using a broad panel of molecular markers (mitochondrial and nuclear genes, microsatellites and SNPs), we interested in the evolutionary history at different spatial and temporal scales of the Mediterranean western subspecies Testudo hermanni hermanni (THH), which presents a very fragmented insular and continental distribution. The aim of this study is to 1) understand the processes that explain the current distribution of the structure and genetic diversity of populations, 2) identify the origin of introduced populations (Menorca and Ebro Delta) and 3) Dating the origin of the subspecies THH. At the population level, our study aimed to identify the number of homogeneous genetic groups of THH tortoise and the degree of genetic differentiation between these groups in order to identify evolutionarily significant units (ESU) and management units (MU). Finally, we were interested in the study of the last core populations of THH in the Var by landscape genetics approach. Our results revealed that a divergence by vicariance pattern explains the origin of the appearance of the subspecies THH. This biogeographic scenario is explained by the succession of glacial and interglacial events of the Pleistocene causing a withdrawal of the species toward refugia on the northern Mediterranean fringe. Moreover, the observed differentiation pattern (island vs continent) is very original compared to the reported diversity patterns of other reptiles sharing the same distribution range. According to our results, we may conclude that the Hermann’s tortoise is not native in Menorca and has a double origin: the first, is an introduction resulting from a unique source, probably from a continental lineage genetically close to Albera. The second, from an island origin, is the result of multiple contributions, from Corsica, Sardinia or Sicily. Lastly,the isolation of THH populations within each geographic region reflects a very strong genetic structure, therefor the six most relevant management units forconservation purposes are proposed on the basis that they represent a significant part of the evolutionary legacy of the species.