La diversité morphologique des muscles squelettiques permet la précision et la coordination des mouvements propres à chaque espèce animale. L'établissement du patron musculaire a lieu au cours du développement embryonnaire durant le processus de myogenèse. Il a été décomposé en quatre étapes chez la drosophile : la spécification de groupes de myoblastes équivalents (groupes promusculaires) à des positions précises du mésoderme, la sélection d'une ou plusieurs cellules progéniteurs à partir de chaque groupe, la division asymétrique des progéniteurs en cellules fondatrices des muscles, et enfin, la fusion d'une cellule fondatrice avec un nombre défini de myoblastes compétents pour la fusion qui forme une myofibre syncytiale. Ce processus aboutit à la mise en place d'un patron stéréotypé de muscles morphologiquement distincts par leur taille, orientation, forme, et sites d'attachement au squelette ; ces caractères définissant l'identité du muscle. Chez la drosophile, chacun des 30 muscles par hémisegment de la larve est constitué d'une seule myofibre. Il a été proposé que l'identité morphologique de cette fibre soit contrôlée par une combinatoire de facteurs de transcription identitaires (FTi) exprimés par la cellule fondatrice. Mon projet de thèse a porté sur le contrôle transcriptionnel de l'identité musculaire, avec comme modèle d'étude, un muscle dorso-latéral de la larve de drosophile, le muscle DA3 dont un FTi est Collier/EBF (Col). La transcription de col est activée dans un groupe promusculaire, puis transitoirement dans les quatre progéniteurs issus de ce groupe, avant d'être maintenue spécifiquement dans la myofibre DA3. Dans des embryons mutants pour col, le DA3 est transformé en muscle plus dorsal, DA2. Les travaux précédents de l'équipe ont montré que la transcription de col dans le lignage DA3 est contrôlée par deux modules cis-régulateurs, EarlyCRM et LateCRM, séparés physiquement sur le chromosome et agissant séquentiellement. Leur chevauchement temporel d'activité restreint au progéniteur DA3 et l'autorégulation directe du LateCRM ont mené à l'hypothèse d'un mécanisme de " passage de témoin " entre ces deux CRM, spécifique au progéniteur DA3. L'objectif de ma thèse était de tester cette hypothèse et de comprendre comment une information temporelle et spatiale intégrée par un CRM est transmise à un autre CRM, pour définir une identité cellulaire, une question fondamentale au-delà du cas d'espèce que constitue le muscle DA3.[...] / The morphological diversity of skeletal muscles allows the precision and coordination of movements specific to each animal species. Establishment of a stereotypic pattern of muscles takes places during the process of myogenesis. Studies in Drosophila, an insect model, have identified four steps in this process: the specification of equivalence groups of myoblasts (promuscular clusters) at defined positions within the somatic mesoderm, the selection of progenitor(s) from each group, asymmetric division of each progenitor into post-mitotic muscle founder cells, and finally the fusion of each founder cell with a given number of fusion competent cells to form a syncytial myofiber. This dynamic, integrated process leads to establishing a stereotyped pattern of morphologically distinct muscles which can each be distinguished, based on size, orientation, shape, sites of attachment to the skeleton, all properties defining muscle identity. In the Drosophila larva, each of the about 30 different muscles per hemisegment is made of a single myofiber. It has been proposed that final morphology of a myofiber reflects the combinatorial code of identity Transcription Factors (iTF) expressed by its founder cell, although many questions remain unanswered. My thesis project aimed at better understanding the mechanism of specification of muscle identity, using as model a dorso-lateral muscle of the Drosophila larva, the DA3 muscle whose identity is controlled by the Collier/EBF (Col) iTF. col transcription is activated in one promuscular cluster, transient in the 4 progenitors issued from this cluster and stably maintained in the DA3 myofiber. In col mutant embryos, the DA3 muscle is transformed into a more dorsal, DA2-like muscle. Previous work has shown that col transcription in the DA3 lineage is controlled by two cis-regulatory modules (EarlyCRM and LateCRM), physically distant on the chromosome and acting sequentially. The temporal overlap of EarlyCRM and LateCRM in the DA3 progenitor and direct col autoregulation via the LateCRM led to hypothesize a handover between the two CRM in the DA3 progenitor. One goal of my thesis project was to challenge this hypothesis and understand how positional and temporal information integrated by EarlyCRM could be memorized via LateCRM, in order to specify cell identity, a fundamental question of developmental biology beyond the specific case of the Drosophila DA3 muscle. [...]

L’édition du génome utilisant CRISPR/Cas9 est récemment apparue comme une stratégie thérapeutique potentielle des maladies génétiques. Pour les mutations dominantes de type gain de fonction, la correction allèle-spécifique pourrait être l'approche la plus appropriée. Ici, nous avons testé l'inactivation ou la correction d'une mutation hétérozygote du gène de la dynamine 2 (DNM2) causant la forme autosomique dominante de la myopathie centronucléaire (CNM). Des ARN-guides tronqués ciblant spécifiquement l'allèle muté ont été testés sur des cellules de patients et des myoblastes d'un modèle murin. L'allèle muté a été ciblé avec succès et des clones ont été obtenus avec inactivation ou correction précise du génome. Les myoblastes Dnm2R465W/+ ont montré une altération de l'endocytose et de l'autophagie. L'inactivation ou la correction allèle-spécifique a normalisé ces phénotypes. L'allèle muté a également été ciblé avec succès dans les muscles de la souris Dnm2R465W/+. Ces résultats illustrent le potentiel de CRISPR/Cas9 à cibler et corriger de manière allèle-spécifique les mutations ponctuelles hétérozygotes de type de gain de fonction. / Genome editing with the CRISPR/Cas9 technology has emerged recently as a potential strategy for therapy in genetic diseases. For dominant mutations linked to gain-of-function effects, allele-specific correction may be the most suitable approach. Here we tested allele-specific inactivation or correction of a heterozygous mutation in the Dynamin 2 (DNM2) gene causing the autosomal dominant form of centronuclear myopathies (CNM). Truncated single guide RNAs targeting specifically the mutated allele were tested on cells derived from a mouse model and patients. The mutated allele was successfully targeted in patient fibroblasts and Dnm2R465W/+ mouse myoblasts, and clones were obtained with both precise genome correction or inactivation. Dnm2R465W/+ myoblasts showed an alteration in transferrin uptake and autophagy. Specific inactivation or correction of the mutated allele rescued these phenotypes. The mutated allele was also successfully targeted in Dnm2R465W/+ mouse muscles. These findings illustrate the potential of CRISPR/Cas9 to target and correct heterozygous point mutations leading to a gain-of-function effect in an allele-specific manner.

L’amélioration génétique du blé tendre (Triticum aestivum L.), une des trois céréales les plus cultivées, représente un intérêt stratégique pour la sécurité alimentaire de la population mondiale. Cette amélioration génétique va nécessiter une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires et physiologiques mis en jeu, et va aussi réclamer une efficacité accrue dans notre capacité à intervenir finement sur le génome. Les avancées majeures réalisées dans le domaine des biotechnologies ces dernières années permettent d’envisager de nouveaux champs d’action pour appréhender le fonctionnement des caractères d’intérêt agronomique du blé tendre, ainsi que pour son amélioration génétique, et fournissent également de nouveaux outils pour innover dans le domaine de l’édition des génomes. Nous avons cherché dans le cadre de cette thèse à développer des innovations chez blé tendre à partir de trois nouveaux outils issus des biotechnologies. Nous avons tout d’abord montré que l’extinction du gène pds par une stratégie de micro ARN artificiel à partir d’un micro ARN de riz permettait d’obtenir le phénotype attendu, et que l’expression du micro ARN artificiel était reliée à ce phénotype. Nous avons commencé à explorer la possibilité d’utiliser des microARN de blé pour réaliser la même extinction, sans résultat pour l’instant. Nous avons ensuite montré que des coupures spécifiques d’une séquence donnée peuvent être obtenues in vivo chez le blé tendre à l’aide d’une méganucléase, et que lorsque les sites de coupure encadrent une séquence donnée, une délétion du fragment encadré peut être obtenue. Nous avons enfin réalisé les premiers essais du système CRISPR-Cas9 au laboratoire et généré une lignée exprimant le transgène Cas9 de façon constitutive. Des résultats inattendus obtenus dans le cadre de ces expérimentations nous ont de plus permis d’améliorer le procédé de transformation génétique du blé tendre utilisé au laboratoire. Les applications de nos résultats pourront être utilisées pour des expérimentations de validation de gènes et de compréhension des mécanismes moléculaires associés, mais aussi à l’avenir pour intervenir directement et de plus en plus finement sur le génome du blé. Les choix stratégiques en termes de développement technologique et d’innovation dans le domaine des biotechnologies et dans le cadre des objectifs d’un laboratoire public sont discutés. / The genetic improvement of common wheat (Triticum aestivum L.), one of the three most cultivated cereals, is of strategic interest to the food security of the world's population. This genetic improvement will require a better understanding of the molecular and physiological mechanisms involved, and will also require increased efficiency in our ability to modify finely the genome. In recent years, the major advances in biotechnology have made it possible to envisage new fields of action for a deeply understanding of agronomic traits of wheat as well as for genetic improvement, and also provide new tools for innovate in the field of genome editing. In this PhD manuscript, we sought to develop innovations for wheat improvement using three new biotechnology tools. We first demonstrated that the extinction of the pds gene by a strategy of artificial micro RNA succeeded in the obtaining of the expected phenotype and that the expression of the artificial RNA was related to this phenotype. We have begun to explore the possibility of using wheat microRNAs to achieve the same extinction, with no results at this time. We have then shown that specific cuts of a given sequence can be obtained in vivo in wheat using a meganuclease, and that when the cleavage sites frame a given sequence a deletion of the framed fragment may be obtained. We finally carried out the first tests of the CRISPR-Cas9 system in the laboratory and generated a line expressing the Cas9 transgene constitutively. Unexpected results obtained during these experiments have also made it possible to improve the process of genetic transformation of soft wheat used in the laboratory. The applications of our results can be used for gene validation experiments and a better understanding of the molecular mechanisms involved, but also in the future for wheat genome editing. Strategic choices in terms of technological development and innovation in the field of biotechnology and within the framework of the objectives of a public laboratory are discussed.

In many organisms, the most fundamental event during embryogenesis is differentiating between germline cells and specialized somatic cells. In C. elegans, PIE-1 functions to protect the germline from somatic differentiation and appears to do so by blocking transcription and by preventing chromatin remodeling in the germline during early embryogenesis. Yet the molecular mechanisms by which PIE-1 specifies germline remain poorly understood. Our work shows that SUMOylation facilitates PIE-1-dependent germline maintenance and specification. In vivo SUMO purification in various CRISPR strains revealed that PIE-1 is SUMOylated at lysine 68 in the germline and that this SUMOylation is essential for forming NuRD complex and preserving HDA-1 activity. Moreover, HDA-1 SUMOylation is dependent on PIE-1 and enhanced by PIE-1 SUMOylation, which is required for protecting germline integrity. Our results suggest the importance of SUMOylation in the germline maintenance and exemplify simultaneous SUMOylation of proteins in the same functional pathway.

La salinité de l'eau d'irrigation et des sols est l'une des principales contraintes abiotiques en agriculture. Parmi les 130 mha de riz cultivés dans le monde, 30% environ se trouvent dans des zones où la salinité est trop élevée pour permettre de bons rendements. Dans l'objectif de mieux comprendre le rôle des systèmes de transport de Na+ dans la compartimentation de Na+ dans la plante permettant de maintenir un rapport K+/Na+ élevé dans les tissus sensibles lors d’un stress salin, je me suis intéressé à deux transporteurs de la famille HKT, OsHKT1;1 et OsHKT1;3, chez le riz, la plante modèle des céréales. Mon principal projet a allié une stratégie "promoteur::GUS" pour préciser les patrons d'expression in planta des deux gènes, et une approche de génétique inverse en produisant des mutants pertes de fonction à l’aide de la technologie CRISPR-Cas9, qui s’est confirmée être un outil efficace pour générer des mutations indèles après cassure ciblée de l’ADN, transmissibles de façon stable chez le riz. Les tests histochimiques de l’activité GUS ont montré une expression prédominante d’OsHKT1;1 et d’OsHKT1;3 dans les tissus vasculaires (parenchyme xylémien et/ou phloème), essentiellement au niveau des parties aériennes. L’analyse phénotypique des plantes "CRISPR" a mis en évidence des modifications des profils d’accumulation de Na+ dans les feuilles chez les mutants: défaut d’accumulation de Na+ dans les gaines foliaires pour les plantes oshkt1;1 et répartition altérée de Na+ entre les vieilles et les jeunes feuilles chez les plantes oshkt1;3, conduisant à une augmentation de la teneur en Na+ dans les limbes des jeunes feuilles chez les 2 types de mutants. Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent qu’OsHKT1;1 et OsHKT1;3 participent au dessalage des jeunes limbes foliaires lors d’un stress salin, via des mécanismes différents, contrôlant les transports xylémiques et phloémiens de Na+. En plus de cette étude, j’ai collaboré avec un groupe de généticiens, qui avait identifié une forte association entre des différences écotypiques de contenu racinaire en Na+ et de rapport K+/Na+, et une région du chromosome 4 du riz comprenant le gène OsHKT1;1. En comparant fonctionnellement par électrophysiologie les deux variants majeurs d’OsHKT1;1, des différences de capacités de transport de Na+ susceptibles d’expliquer le trait racinaire ont été observées. L’ensemble des données obtenues souligne l’intérêt d’analyser tous des gènes HKT de riz dans les mécanismes de tolérance de la plante à la salinité / The salinity of irrigation water and soils is one of the main abiotic constraints in agriculture. Among the 130 mha of rice grown around the world, about 30% are in areas where salinity is too high to allow for good yields. In order to better understand the role of Na+ transport systems in the compartmentalization of Na+ in the plant to maintain a high K+/Na+ ratio in sensitive tissues during salt stress, I focused on two transporters from the HKT family, OsHKT1;1 and OsHKT1;3, in rice, the model cereal species. My main project combined a “promoter::GUS” strategy to specify the expression pattern of both genes, and a reverse genetics approach by producing loss-of-function mutants using the CRISPR-CAS9 technology, which was confirmed to be an efficient tool for generating indel mutations after targeted DNA breaks, stably transmitted in rice. Histochemical tests of GUS activity showed predominant expression of OsHKT1;1 and OsHKT1;3 in vascular tissues (xylem parenchyma and/or phloem), mainly in the aerial parts. Phenotypic analysis of "CRISPR" plants revealed changes in leaf Na+ accumulation profiles in mutants: lack of Na+ accumulation in leaf sheaths for oshkt1;1 plants and altered distribution of Na+ between old and young leaves in oshkt1;3 plants, leading to an increase in the leaf blade Na+ content in both types of mutants. Overall, these results suggest that OsHKT1 and OsHKT1.3 contribute to the desalination of young leaf blades during salt stress, via different mechanisms, controlling transports of Na+ through the xylem and phloem. In addition to this study, I collaborated with a group of geneticists who identified a strong association between ecotypic differences in root Na+ and K+/Na+ ratio, and a region of chromosome 4 of rice including the OsHKT1;1 gene. By comparing electrophysiologically the two major variants of OsHKT1;1, differences in Na+ transport capacities that could explain the root trait were observed. All the data obtained underline the interest of analyzing all HKT genes of rice in the mechanisms of plant tolerance to salinity.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-01-08T14:33:50Z No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-01-23T11:05:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-23T11:05:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gustavotorresdesouza.pdf: 5085443 bytes, checksum: eada917698a8738ea1947743e940692c (MD5) Previous issue date: 2017-08-08 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O advento sistema CRISPR/Cas9 tornou o processo de edição gênica consideravelmente mais fácil e direto, uma vez que retirou empecilhos técnicos relacionados aos sistemas já disponíveis. Desta forma, foram permitidos diversos avanços no entendimento da função de elementos genômicos, assim como a produção de embriões geneticamente modificados com diversas finalidades. O atual trabalho objetivou a edição gênica no gene da beta-lactoglobulina em células somáticas bovinas objetivando a produção futura de embriões da espécie geneticamente modificados. Considerando-se que a hipersensibilidade a essa proteína responde pela maior parte das alergias ao leite bovino, a produção de animais cujo leite não contenha essa molécula é de grande interesse para a indústria de laticínios. Durante os experimentos, foi possível obter uma linhagem de células bovinas MDBK expressando a enzima Cas9 (MDBK-Cas). Usando células MDBK e as células MBDK-Cas foi possível se obter com sucesso edições gênicas no locus beta-lactoglobulina utilizando-se os componentes do sistema CRISPR/Cas9 na forma de mRNA da proteína Cas9 e sgRNAs. Conclui-se que o sistema CRISPR/Cas9 pode ser usado com os sgRNA desenhados neste estudo para editar o gene da betalactoglobulina em células MDBK. Assim, células MDBK podem ser utilizadas como alvo o locus em estudo. Modelos de estudos para edição do genoma bovino. Em vista da escassa literatura constando de trabalhos em que tenha sido feita a edição gênica em embriões bovinos, os dados gerados por esse trabalho colaborarão para o avanço do estado da arte no que diz respeito a engenharia gênica de bovinos e no conhecimento do funcionamento do sistema CRISPR/Cas9. / The advent of the CRISPR / Cas9 system made the process of gene editing considerably easier and more straightforward, since it removed technical impediments related to the systems already available. In this way, several advances were made in the understanding of the function of genomic elements, as well as the production of genetically modified embryos for various purposes. The present work aimed at the genetic editing of the beta-lactoglobulin gene in bovine somatic cells aiming at the future production of genetically modified embryos of the species. Considering that hypersensitivity to this protein accounts for most of the allergies to bovine milk, the production of animals whose milk does not contain this molecule is of great interest to the dairy industry. During the experiments, it was possible to obtain a lineage of bovine MDBK cells expressing the Cas9 enzyme (MDBK-Cas). Using MDBK cells and MBDKCas cells it was possible to successfully obtain gene editions at the beta-lactoglobulin locus using the components of the CRISPR / Cas9 system as mRNA of the Cas9 protein and sgRNAs. It is concluded that the CRISPR / Cas9 system can be used with the sgRNAs designed in this study to edit the beta-lactoglobulin gene in MDBK cells. Thus, MDBK cells can be targeted as the locus under study. Models of studies for editing the bovine genome. In view of the scarce literature consisting of studies in which bovine embryos have been genetically engineered, the data generated by this work will contribute to the advancement of the state of the art regarding the genetic engineering of cattle and the knowledge of the functioning of the system CRISPR / Cas9.

Depuis la découverte de Phaeodactylum tricornutum par Bohlin en 1897, sa classification au sein de l'arbre de la vie a été controversée. En utilisant des morphotypes ovales et fusiformes Lewin a décrit en 1958 plusieurs traits caractéristiques de cette espèce rappelant la structure des diatomées mettant ainsi fin à la controverse sur la classification de P. tricornutum au sein des Bacillariophycées. Pour se faire, trois morphotypes (ovale, fusiforme et triradié) de Phaeodactylum tricornutum ont été observés. Au cours d’une centaine d’années environ, de 1908 à 2000, 10 souches de Phaeodactylum tricornutum (appelées écotypes) ont été collectées et stockées soit de manière axénique ou en l’état avec leur populations naturelles de bactéries dans les centres des ressources génétiques pour algues, cryo-préservées quand cela est possible. Divers outils cellulaires et moléculaires ont été établis pour disséquer et comprendre la physiologie et l'évolution de P. tricornutum, et/ou les diatomées en général. Grâce à des décennies de recherche et les efforts déployés par de nombreux laboratoires que P. tricornutum est aujourd’hui considérée comme une espèce modèle des diatomées. Le sujet de ma thèse traite majoritairement de la composition génétique et épigénétique du génome de P. tricornutum ainsi que de la diversité morphologique et physiologique sousjacente au sein des populations naturelles prospectées à différents endroits du globe. Pour se faire, j’ai généré les profils chromatiniens en utilisant différentes marques des modifications post-traductionnelles des histones (chapitres 1 et 2) et a également comparé la variation naturelle dans la distribution de certaines marques clés entre deux populations d’écotypes (chapitre 4). Nous avons également généré une carte de la diversité génétique à l’échelle du génome chez 10 écotypes de P. tricornutum révélant ainsi la présence d'un complexe d'espèces dans le genre Phaeodactylum comme la conséquence d’une hybridation ancienne (chapitre 3). Sur la base de nombreux rapports antérieurs et des observations similaires au sein de P. tricornutum, nous proposons l’hybridation naturelle comme une base solide et une possibilité plausible pour expliquer la diversité des espèces chez lest diatomées. De plus, nous avons mis à jour les annotations fonctionnelles et structurelles du génome de P. tricornutum (Phatr3, chapitre 2) et mis au point un algorithme de logiciel convivial pour aller chercher les cibles CRISPR du système d’édition du génome CRISPR / cas9 chez 13 génomes de phytoplancton incluant P. tricornutum (chapitre 5). Pour accomplir tout cela, j'ai utilisé diverses méthodes à la pointe de l’état de l’art comme la spectrométrie de masse, l’immunoprécipitation de la chromatine suivie de séquençage à haut débit ainsi que les séquençages du génome entier, de l'ARN et des protocoles d'édition du génome CRISPR et plusieurs logiciels / pipelines de calcul. Ainsi, le travail de thèse fournit une plate-forme complète qui pourra être utilisée à l’avenir pour des études épigénétiques, de génétiques moléculaires et fonctionnelles chez les diatomées en utilisant comme espèce modèle Phaeodactylum tricornutum. Ce travail est pionnier et représente une valeur ajoutée importante dans le domaine de la recherche sur les diatomées en répondant à des questions nouvelles ouvrant ainsi de nouveaux horizons à la recherche en particulier en épigénétique qui joue un rôle important mais pas encore assez apprécié dans le succès écologique des diatomées dans les océans actuels. / Since the discovery of Phaeodactylum tricornutum by Bohlin in 1897, its classification within the tree of life has been controversial. It was in 1958 when Lewin, using oval and fusiform morphotypes, described multiple characteristic features of this species that resemble diatoms structure, the debate to whether classify P. tricornutum as a member of Bacillariophyceae was ended. To this point three morphotypes (oval, fusiform and triradiate) of Phaeodactylum tricornutum have been observed. Over the course of approximately 100 years, from 1908 till 2000, 10 strains of Phaeodactylum tricornutum (referred to asecotypes) have been collected and stored axenically as cryopreserved stocks at various stock centers. Various cellular and molecular tools have been established to dissect and understand the physiology and evolution of P. tricornutum, and/or diatoms in general. It is because of decades of research and efforts by many laboratories that now P. tricornutum is considered to be a model diatom species. My thesis majorly focuses in understanding the genetic and epigenetic makeup of P. tricornutum genome to decipher the underlying morphological and physiological diversity within different ecotype populations. To do so, I established the epigenetic landscape within P. tricornutum genome using various histone post-translational modification marks (chapter 1 and chapter 2) and also compared the natural variation in the distribution of some key histone PTMs between two ecotype populations (chapter 4). We also generated a genome-wide genetic diversity map across 10 ecotypes of P. tricornutum revealing the presence of a species-complex within the genus Phaeodactylum as aconsequence of ancient hybridization (Chapter 3). Based on the evidences from many previous reports and similar observations within P. tricornutum, we propose natural hybridization as a strong and potential foundation for explaining unprecedented species diversity within the diatom clade. Moreover, we updated the functional and structural annotations of P. tricornutum genome (Phatr3, chapter 2) and developed a user-friendly software algorithm to fetch CRISPR/Cas9 targets, which is a basis to perform knockout studies using CRISPR/Cas9 genome editing protocol, in 13 phytoplankton genomes including P. tricornutum (chapter 5). To accomplish all this, I used various state-of-the-art technologies like Mass-Spectrometry, ChIPsequencing, Whole genome sequencing, RNA sequencing, CRISPR genome editing protocols and several computational softwares/pipelines. In brief, the thesis work provides a comprehensive platform for future epigenetic, genetic and functional molecular studies in diatoms using Phaeodactylum tricornutum as a model. The work is an addon value to the current state of diatom research by answering questions that have never been asked before and opens a completely new horizon and demand of epigenetics research that underlie the ecological success of diatoms in modern-day ocean.

Ziel der Arbeit war es, die regulatorischen Mechanismen von Virulenz-assoziierten Genen in den Pathogenen Francisella novicida und Streptococcus pyogenes zu untersuchen. Kapitel eins befasst sich mit der Regulation des Virulenzfaktors Streptolysin S (SLS) von S. pyogenes. Wir untersuchten die Rolle der Ribonuklease (RNase) Y in der transkriptionellen und posttranstrikptionellen Regulation des Gens sagA. RNase Y begünstigte die Produktion einer kleinen RNA (sRNA) vom sagA Transkript, war jedoch nicht an der posttranskriptionellen Regulierung der sagA RNA beteiligt. Dennoch förderte RNase Y die Transkription von sagA indirekt. Wir konnten weiterhin zeigen, dass die 5′- untranslatierte Region (UTR) der sgaA RNA eine Sekundärstruktur besitzt, die möglicherweise einen Liganden bindet und damit die Zugänglichkeit der ribosomalen Bindungsstelle beeinflusst. Die Deletion einzelner Abschnitte der 5′ UTR hat einen negativen Effekt auf die sagA Expression. Wir haben eine Methode entwickelt um die Aktivität von Riboswitches, (u.a. die sagA 5‘ UTR) zu analysieren und konnten damit drei putative Riboswitches in S. pyogenes validieren. In Kapitel zwei charakterisierten wir den Mechanismus mit dem CRISPR-Cas9 aus F. novicida (FnoCas9) die Expression bakterieller Lipoproteine (BLPs) unterdrückt, um dem Immunsystem des Wirtes zu entgehen. Wir zeigen, dass FnoCas9 eine duale Funktion besitzt, die es dem Protein ermöglicht nicht nur DNA zu schneiden, sondern auch Transkription zu regulieren. In dieser erstmals beschriebenen Aktivität bindet FnoCas9 an den tracrRNA:scaRNA Duplex, wodurch der Protein-RNA Komplex an einen DNA Abschnitt hinter dem Promoter der blp Gene bindet und somit deren Transkription verhindert. Diese Bindungsstelle besitzt ein protospacer-adjacent motif (PAM) und eine scaRNA-komplementäre Sequenz, an die der FnoCas9-RNA Komplex bindet, allerdings nicht schneidet. Dieses System könnte in Zukunft das Repertoire an CRISPR-basierten Anwendungsmöglichkeiten erweitern. / The aim of this thesis was to study regulatory mechanisms of virulence-related genes in the bacterial pathogens Francicella novicida and Streptococcus pyogenes. Chapter one focuses on the regulation of the virulence factor streptolysin S (SLS) in S. pyogenes. First, we investigated the role of the ribonuclease (RNase) Y in the transcriptional and post-transcriptional regulation of SLS-coding gene, sagA. We found that RNase Y promotes the production of a small RNA (sRNA) from the sagA transcript but we observed no regulation at the post-transcriptional level. Yet, RNase Y promotes sagA transcription indirectly and affects hemolysis levels. We next showed that the sagA 5′ untranslated region (UTR) contains a secondary structure that is is possibly modulated by direct binding to a ligand and may affect the accessibility to the ribosomal binding site (RBS). Our results indicate that removing fragments of the 5′ UTR has a negative effect on sagA expression. We developed a method for testing the activity of putative riboswitches, including sagA 5′ UTR. Using this method, we validated three predicted riboswitches in S. pyogenes. In chapter two, we characterized the mechanism by which F. novicida CRISPR-Cas9 (FnoCas9) represses the expression of bacterial lipoproteins (BLPs), allowing evasion of the host immune system. We show that FnoCas9 is a dual-function protein that, in addition to its canonical DNA nuclease activity, evolved the ability to regulate transcription. In this newly-described mechanism, the non-canonical RNA duplex tracrRNA:scaRNA guides FnoCas9 to the DNA target located downstream of the promoter of the BLP-coding genes, causing transcriptional interference. The endogenous targets contain a protospacer-adjacent motif (PAM) and a sequence that is complementary to scaRNA, promoting FnoCas9 binding but not DNA cleavage. Engineering this system expands the toolbox of CRISPR applications by allowing repressing other genes of interest.

Dans ce travail nous avons élaboré une nouvelle méthode de l'analyse de réseau à définir des membres possibles des voies moléculaires qui sont important pour ce phénotype en utilisant la « hit-liste » des expériences « omics » qui travaille dans le réseau intégré (le réseau comprend des interactions protéine-protéine, de transcription, l’acide ribonucléique micro-l’acide ribonucléique messager et celles métaboliques). La méthode tire des sous-réseaux qui sont construit des voies de quatre types les plus courtes (qui ne se composent des interactions protéine-protéine, ayant au minimum une interaction de transcription, ayant au minimum une interaction l’acide ribonucléique micro-l’acide ribonucléique messager, ayant au minimum une interaction métabolique) entre des hit –gènes et des soi-disant « exécuteurs terminaux » - les composants biologiques qui participent à la réalisation du phénotype finale (s’ils sont connus) ou entre les hit-gènes (si « des exécuteurs terminaux » sont inconnus). La méthode calcule la valeur de la centralité de chaque point culminant et de chaque voie dans le sous-réseau comme la quantité des voies les plus courtes trouvées sur la route précédente et passant à travers le point culminant et la voie. L'importance statistique des valeurs de la centralité est estimée en comparaison avec des valeurs de la centralité dans les sous-réseaux construit des voies les plus courtes pour les hit-listes choisi occasionnellement. Il est supposé que les points culminant et les voies avec les valeurs de la centralité statistiquement signifiantes peuvent être examinés comme les membres possibles des voies moléculaires menant à ce phénotype. S’il y a des valeurs expérimentales et la P-valeur pour un grand nombre des points culminant dans le réseau, la méthode fait possible de calculer les valeurs expérimentales pour les voies (comme le moyen des valeurs expérimentales des points culminant sur la route) et les P-valeurs expérimentales (en utilisant la méthode de Fischer et des transpositions multiples).A l'aide de la méthode masterPATH on a analysé les données de la perte de fonction criblage de l’acide ribonucléique micro et l'analyse de transcription de la différenciation terminal musculaire et les données de la perte de fonction criblage du procès de la réparation de l'ADN. On peut trouver le code initial de la méthode si l’on suit le lien https://github.com/daggoo/masterPATH / In this work we developed a new exploratory network analysis method, that works on an integrated network (the network consists of protein-protein, transcriptional, miRNA-mRNA, metabolic interactions) and aims at uncovering potential members of molecular pathways important for a given phenotype using hit list dataset from “omics” experiments. The method extracts subnetwork built from the shortest paths of 4 different types (with only protein-protein interactions, with at least one transcription interaction, with at least one miRNA-mRNA interaction, with at least one metabolic interaction) between hit genes and so called “final implementers” – biological components that are involved in molecular events responsible for final phenotypical realization (if known) or between hit genes (if “final implementers” are not known). The method calculates centrality score for each node and each path in the subnetwork as a number of the shortest paths found in the previous step that pass through the node and the path. Then, the statistical significance of each centrality score is assessed by comparing it with centrality scores in subnetworks built from the shortest paths for randomly sampled hit lists. It is hypothesized that the nodes and the paths with statistically significant centrality score can be considered as putative members of molecular pathways leading to the studied phenotype. In case experimental scores and p-values are available for a large number of nodes in the network, the method can also calculate paths’ experiment-based scores (as an average of the experimental scores of the nodes in the path) and experiment-based p-values (by aggregating p-values of the nodes in the path using Fisher’s combined probability test and permutation approach). The method is illustrated by analyzing the results of miRNA loss-of-function screening and transcriptomic profiling of terminal muscle differentiation and of ‘druggable’ loss-of-function screening of the DNA repair process. The Java source code is available on GitHub page https://github.com/daggoo/masterPATH

Les nucléases programmables et site-spécifiques comme CRISPR-Cas9 sont des signes avant-coureurs d’une nouvelle révolution en génie génétique et portent en germe un espoir de modification radicale de la santé humaine. Le « multiplexing » ou la capacité d’introduire plusieurs modifications simultanées dans le génome sera particulièrement utile en recherche tant fondamentale qu’appliquée. Ce nouvel outil sera susceptible de sonder les fonctions physiopathologiques de circuits génétiques complexes et de développer de meilleures thérapies cellulaires ou traitements antiviraux. En repoussant les limites du génie génétique, il sera possible d’envisager la réécriture et la conception de génomes mammifères. Le développement de notre capacité à modifier profondément le génome pourrait permettre la création de cellules résistantes aux cancers, aux virus ou même au vieillissement ; le développement de cellules ou tissus transplantables compatibles entre donneurs et receveurs ; et pourrait même rendre possible la résurrection d’espèces animales éteintes. Dans ce projet de recherche doctoral, nous présentons l’état de l’art du génie génétique « multiplex », les limites actuelles et les perspectives d’améliorations. Nous tirons profit de ces connaissances ainsi que de l’abondance des éléments transposables de notre ADN afin de construire une plateforme d’optimisation et de développement de nouveaux outils de génie génétique qui autorisent l’édition génomique à grande échelle. Nous démontrons que ces technologies permettent la production de modifications à l’échelle du génome allant jusqu’à 3 ordres de grandeur supplémentaires que précédemment, ouvrant la voie au développement de la réécriture des génomes de mammifères. En outre, l’observation de la toxicité engendrée par la multitude de coupures double-brins dans le génome nous a amenés à développer un bio-interrupteur susceptible d’éviter les effets secondaires des thérapies cellulaires actuelles ou futures. Enfin, en conclusion, nous exposons les potentielles inquiétudes et menaces qu’apporte le domaine génie génétiques et apportons des pistes de réflexions pour diminuer les risques identifiés. / Programmable and site-specific nucleases such as CRISPR-Cas9 have started a genome editing revolution, holding hopes to transform human health. Multiplexing or the ability to simultaneously introduce many distinct modifications in the genome will be required for basic and applied research. It will help to probe the physio-pathological functions of complex genetic circuits and to develop improved cell therapies or anti-viral treatments. By pushing the boundaries of genome engineering, we may reach a point where writing whole mammalian genomes will be possible. Such a feat may lead to the generation of virus-, cancer- or aging- free cell lines, universal donor cell therapies or may even open the way to de-extinction. In this doctoral research project, I outline the current state-of-the-art of multiplexed genome editing, the current limits and where such technologies could be headed in the future. We leveraged this knowledge as well as the abundant transposable elements present in our DNA to build an optimization pipeline and develop a new set of tools that enable large-scale genome editing. We achieved a high level of genome modifications up to three orders of magnitude greater than previously recorded, therefore paving the way to mammalian genome writing. In addition, through the observation of the cytotoxicity generated by multiple double-strand breaks within the genome, we developed a bio-safety switch that could potentially prevent the adverse effects of current and future cell therapies. Finally, I lay out the potential concerns and threats that such an advance in genome editing technology may be bringing and point out possible solutions to mitigate the risks.