L'étude des interactions ADN-protéines et de la structure de la chromatine dans les cellules vivantes est nécessaire à la compréhension des mécanismes de l'expression génique. La technique LMPCR ("ligation mediated polymerase chain reaction") permet l'étude in vivo de ces interactions par une analyse plus réelle des événements qui se déroulent au sein même des cellules, comparativement aux études in vitro. Par contre, la qualité des résultats peut-être grandement influencée par l'ADN polymérase utilisée et nécessite donc l'optimisation de plusieurs paramètres. De ce fait, nous avons identifié les conditions optimales d'utilisation de l'ADN polymérase Thermococcus litoralis exo- (Vent exo-) dans la technique LMPCR telle que la quantité de polymérase et d'ADN. Nous avons montré que l'efficacité de Vent exo- à l'extension d'amorces et à l'amplification était similaire à celle de Pyrococcus furiosus exo- (Pfu exo-) et supérieure à Thermus aquaticus (Taq). De plus, nous avons observé que la thermostabilité de Vent exo- lui permettait de soutenir un plus grand nombre de cycles d'amplification que Taq facilitant ainsi la résolution de séquences riches en GC. D'autre part, nous avons montré que l'activité terminale transférase de Vent exo- était inhibée dans la plupart de nos conditions expérimentales et qu'il était donc possible de l'utiliser efficacement pour la production d'extrémités franches lors de l'étape d'extension d'amorces. Finalement, l'ADN polymérase Vent exo- s'avère être une alternative efficace pour les étapes d'extension d'amorces et d'amplification PCR dans la technologie LMPCR.

Cette thèse de doctorat porte dans l’ensemble une étude approfondie sur une technologie émergente pour l’amplification isotherme des acides nucléiques appelée recombinase polymerase amplification (RPA). L’introduction porte une description détaillée sur la RPA. Cette revue de littérature documente et discute les diverses applications de la RPA en soulignant les connaissances actuelles concernant les applications diagnostiques. Malgré la composition complexe de la RPA (6 à 7 protéines dans le même mélange réactionnel), cette dernière s’avère une technologie rapide (générant des résultats < 20 min), spécifique et sensible (détection de l’ordre de quelques copies de génome), et largement appliquée dans différentes disciplines. Ces avantages nous permettent de croire que la RPA possède la flexibilité nécessaire pour être utilisée comme outil de diagnostic rapide des maladies infectieuses en réduisant le temps d’obtention des résultats à moins d’une heure au lieu de 2 à 3 jours avec les tests de cultures standards. En conséquence, il sera possible d’intégrer la RPA dans des plateformes microfluidiques ou laboratoire sur puce qui permettent la préparation d’échantillons, l’amplification et la détection des acides nucléiques des microbes causant des infections. En premier lieu, les travaux de cette thèse ont généré des lignes directrices additionnelles pour la conception des amorces/sondes RPA. En second lieu, nos travaux ont permis de développer un essai diagnostic RPA pour la détection des streptocoques du groupe B, responsables de la septicémie et la méningite chez les nouveau-nés. Cet essai fut le premier à évaluer la performance de la RPA avec des échantillons cliniques humains. Ce test diagnostic RPA a été comparé à une méthode de référence, la réaction en chaîne par polymérase (PCR). Cette démonstration sur des échantillons cliniques nous à inciter à pousser notre étude pour réaliser le dernier objectif de ce projet qui consistait à automatiser la RPA par intégration dans un système microfluidique miniaturisé centripète. Une collaboration avec des experts en génies et en matériaux a permis de générer un dispositif microfluidique appelé blade ainsi de l’instrument impliqué dans l’opération des différentes tâches mécanistiques. Ces résultats préliminaires suggèrent qu’il sera important d’offrir un système automatisé complet applicable au chevet du patient. Par conséquence, il sera possible d’exécuter une analyse complète des agents infectieux en moins d’une heure sans le besoin des procédures complexes de préparation et de transport des échantillons cliniques ni le recours à du personnel qualifié. / This dissertation consists of an exhaustive study on an emerging technology for isothermal amplification of nucleic acids called recombinase polymerase amplification (RPA). The introduction of this thesis is a detailed description of the RPA. This review documents and discusses the various applications of this technology by pointing to the current knowledge about RPA for diagnostic applications. Despite the complex composition of RPA (6 to 7 proteins in the same reaction mixture), the latter was shown to be rapid (generating results in < 20 min), specific and sensitive (detecting few target genome copies), and applied widely in different fields. Based on these advantages, we assume that RPA has a flexibility allowing it to be used for the rapid diagnosis of infectious diseases thus reducing time-to-result to less than an hour. Consequently, it will be possible to integrate RPA in microfluidic platforms providing a lab-on chip system. The first part of this doctoral project generated additional guidelines for RPA primers/probes design to develop specific RPA diagnostic assays. Second, we developed an RPA diagnostic test for the detection of group B streptococci, responsible for sepsis and meningitis in newborns. This assay was the first to evaluate RPA with human clinical samples. This diagnostic test was compared to a reference method, the polymerase chain reaction (PCR). This demonstration with clinical samples served to carry out the final objective of this project that was to automate RPA in a miniaturized microfluidic centripetal system. Collaboration with engineers and experts in materials has generated the microfluidic device called "blade" and the instrument involved in the operation of various mechanistic tasks. These preliminary results suggested that it will be important to provide an automated system applicable at bedside. Consequently, it will be possible to perform a complete analysis of infectious agents in less than an hour without the need for complex procedures for the preparation and transport of clinical specimens or the assistance of qualified personnel.

Le parasite Leishmania est un protozoaire de l’ordre des Kinetoplastidae et de la famille des Trypanosomatidae, responsable de maladies appelées leishmanioses. En tant qu’eucaryote unicellulaire, Leishmania possède de nombreux mécanismes d’adaptation aux stress environnementaux. En effet, plusieurs mécanismes de résistance peuvent être développés par le parasite pour répondre au stress et sont basés sur la modulation du génome, comme l’amplification génique ou l’introduction de mutations. De fait, l’étude de l’intégrité génomique et des mécanismes sous-jacents l’acquisition de la résistance sont des éléments clés de la compréhension du fonctionnement de ce parasite. L’amplification génique est rendue possible par la présence de nombreuses séquences répétées distribuées à travers le génome de Leishmania et qui permettent la formation d’amplicons circulaires et linéaires contenant des gènes essentiels à l’acquisition de la résistance. Les mécanismes sous-jacents la formation des amplicons restent encore à élucider mais les protéines de réparation de l’ADN semblent jouer un rôle majeur dans l’amplification génique. Dans le laboratoire, il a été démontré que l’amplification circulaire reposait essentiellement sur la protéine de réparation de l’ADN RAD51. Cependant, les acteurs impliqués dans la formation d’amplicon linéaire restaient inconnus. Les travaux de cette thèse ont permis de caractériser les fonctions de la protéine MRE11 chez Leishmania, protéine majeur de la réparation de l’ADN par recombinaison homologue, et qui possède une activité de liaison à l’ADN ainsi qu’une activité nucléase. MRE11 semble impliquée dans l’amplification linéaire puisque son inactivation conduit à une diminution du nombre d’amplicons linéaires dans la cellule. De plus, inhiber l’activité nucléase de MRE11 conduit à une augmentation de l’amplification circulaire, suggérant ainsi un rôle prépondérant de cette activité nucléase dans la formation d’amplicons. Cette étude a également permis d’étudier l’implication des protéines de réparation de l’ADN dans le maintien de l’intégrité du génome. / Nous avons pu établir un lien entre MRE11 et RAD50, deux protéines agissant au sein d’un même complexe MRN (MRE11-RAD50-NBS1), et l’instabilité génomique. En effet, l’inactivation de MRE11 et RAD50 a conduit à des réarrangements chromosomiques qui semblent être survenus par micro-homologie. Ces travaux ont donc permis de mettre en lumière qu’en l’absence des protéines majeures de la recombinaison homologue, un mécanisme de réparation par micro-homologie indépendant de MRE11 se met en place dans la cellule. De plus, l’inactivation du gène RAD50 dans une souche sauvage s’est révélée impossible alors qu’elle l’était dans une souche préalablement inactivée pour MRE11, suggérant une certaine hiérarchie dans le complexe MRN. Cette thèse présente également l’étude de l’acquisition de mutations ponctuelles dans le gène du transporteur de miltéfosine qui conduit à la résistance des parasites à cette drogue. La technologie de séquençage à profondeur élevée (« deep-sequencing ») nous a permis de séquencer ce gène à différents stades intermédiaires de la résistance, afin de déterminer la fréquence d’acquisition et la stabilité de ces mutations. Nous avons pu observer que les mutations ponctuelles dans le gène du transporteur de miltéfosine ne sont pas présentes dans les premiers stades de la résistance mais acquises à des concentrations plus élevées. L’analyse du gène a également démontré un plus grand nombre de mutations au fur et à mesure que la pression de sélection s’intensifie ainsi qu’une certaine stabilité des mutations après retrait de la pression de drogue, laissant entrevoir un maintien de la résistance. Ces résultats mettent en évidence l’implication des protéines de réparation de l’ADN dans la stabilité génomique chez Leishmania, mais surtout un rôle dans l’amplification extra-chromosomique liée à la résistance. L’utilisation des nouvelles technologies de séquençage nous a également permis d’étudier la dynamique d’acquisition de mutations ponctuelles impliquées dans la résistance.