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.

Le développement du rein est un exemple intriguant d’un équilibre délicat entre la prolifération des cellules progénitrices, la différentiation et l’apoptose. Le gène Wt1 est indispensable pour la survie des cellules progénitrices. Le but de cette thèse a été de définir les voies de signalisation activées par Wt1 pendant le développement du rein. En utilisant les souris Wt1 KO, nous avons démontré que WT1 coordonne l’action de deux voies de signalisation opposées : Fgf et Bmp/Smad intervenant dans la survie des cellules progénitrices rénales. Dans une deuxième étude, nous avons analysé le rôle du modificateur épigénétique, le gène Phf19 pendant le développement du rein. Nous avons démontré que l’expression de ce gène est Wt1-dependant et il est exclusivement exprimé dans les cellules progénitrices rénales au cours du développement et que son inactivation dans le rein embryonnaire en culture, conduit à l’apoptose des cellules progénitrices. Nous avons généré des souris knockout de Phf19 par l’approche de CRISPR/Cas9. Dans le cas d’une létalité précoce des embryons homozygotes, nous opterons pour la production du model animal knockout conditionnel et procéderons à la caractérisation de leur profile épigénétique. Cette thèse a permis d’une part, de découvrir deux voies de signalisation antagonistes, régulées par le Wt1et impliquées dans le contrôle de la survie des cellules progénitrices rénales et d’autre part de nous orienter vers le contrôle de la survie et la prolifération de ces cellules par modifications épigénétiques. Ceci nous permettra de contribuer à la connaissance de l’étiologie d’une grande proportion des malformations rénales restant à ce jour inconnues. / Kidney organogenesis requires the tight control of proliferation, differentiation and apoptosis of renal progenitor cells. The Wilms’ tumour suppressor Wt1 is required for renal progenitor survival. The aim of this thesis was to elucidate the molecular cause for renal agenesis in Wt1 mutant mouse. Here we demonstrate that lack of Wt1 abolishes FGF and induces BMP/pSMAD signaling within the metanephric mesenchyme. We further show that recombinant BMP4, but not BMP7, induces an apoptotic response within the early kidney that can be suppressed by simultaneous addition of FGFs. These data reveal an unknown sensitivity of early renal progenitors to pSMAD signalling, establishes FGF and pSMAD signalling as antagonistic forces in early kidney development and places WT1 as a key regulator of pro-survival FGF signalling pathway genes. In a second study, we demonstrated, that Phf19, an epigenetic modifier, is essential both for maintaining Wt1 expression in renal progenitor cells and their survival in an ex-vivo culture. We further generated a Phf19 knockout mouse by CRISPR/Cas9. The homozygous embryos will be analyzed to further decipher the contribution of Phf19 to potential kidney malformations and the epigenetic profile of renal progenitor cells will be characterized. Overall, the new insights into the molecular mechanisms controlling the survival of renal progenitor cells, reported in this thesis, provide one more step in our understanding of renal malformations. In addition, our results conducted us toward the epigenetique modifications that could open up promising new avenue of understanding the etiology of an important proportion of renal malformation that remains unknown.

Le collagène XXII (COLXXII) a été décrit, en 2004, comme un marqueur des jonctions tissulaires chez la souris. En particulier, la jonction myotendineuse (JMT) est une matrice extracellulaire spécialisée qui assure une liaison structurale entre le muscle squelettique et le tendon et permet la transmission des forces de contraction au squelette. Mon projet de thèse a visé à caractériser le rôle de COLXXII in vivo; le modèle du poisson zèbre a été choisi. Chez le poisson zèbre, col22a1 code pour COLXXII dont l'expression débute dans tout le somite, puis, se restreint progressivement aux extrémités des fibres musculaires au niveau de la JMT, où est déposée la protéine. Utilisant la technique de morpholino-knockdown, nous avons montré que les morphants développent un phénotype dystrophique et que le COLXXII fait très probablement partie du complexe d'ancrage intégrine α7β1. Cependant, compte tenu de la durée d'efficacité réduite des morpholinos, notre étude était limitée. Utilisant la technologie CRISPR-Cas9, nous avons donc généré deux lignées invalidées pour col22a1. L'analyse ultra-structurale des poissons col22a1-/-, de la jeune larve à l'adulte, montre que les interdigitations du sarcolemme, caractéristiques de la JMT, sont pratiquement absentes chez les mutants (comme chez les morphants), pouvant impacter la transmission des forces et/ou l'attachement du muscle aux myoseptes (tendons). De façon intéressante, pour les deux lignées, la même proportion de larves présente un phénotype très sévère entrainant la mort vers 2 semaines post-fécondation (spf). Les autres larves, elles, survivent et ne montrent pas de phénotype global particulier. En revanche, une forte réduction des interdigitations de la JMT est constatée et dans de rares cas, après challenge des poissons, une rupture musculaire est observée. Une première approche de q- PCR par gène candidat a été réalisée et il semble possible que les différences phénotypiques soient liées à des évènements conjoints d'expressivité variable et de compensation génique. Enfin, utilisant un système original de test de nage à contre-courant par palier, j'ai montré que les poissons col22a1-/- âgés de 6 mois ont une capacité de nage très diminuée et consomment d'avantage d'O2 pendant l'effort comparés aux animaux sauvages. L'efficacité du système musculo-squelettique semble donc moindre en l'absence de collagène XXII. Nos résultats devraient permettre de considérer COL22A1 comme un gène candidat pour les cas de dystrophies musculaires dont la cause génétique est non élucidée / The myotendinous junction (MTJ) is a specialized extracellular matrix which allows the transmission of skeletal muscle forces to bones. My thesis project aimed at characterizing the in vivo role of COLXXII using the zebrafish as a model. The zebrafish col22a1 gene encodes COLXXII whose expression begins in the entire somite, and is then restricted gradually at the MTJ, where the protein is deposited. Morphants (Knockdown) develop a dystrophic phenotype and we have demonstrated that COLXXII is likely a member of the integrin a7ß1 anchoring complex. However, because morpholinos are efficient only few days after injection, our study was limited to early stages of zebrafish development. We thus generated two mutant lines (CRISPR-Cas9) invalidated for col22a1. The typical sarcolemmal interdigitations of the MTJ are almost absent in mutants, from larvae to adult (as in morphants), which could impact the force transmission and/or the muscle attachment to myosepta (tendons). In the two mutant lines, the same proportion of larvae displays a severe phenotype leading to fish death 14 days post-fertilization. On the contrary, other larvae survive without any obvious general phenotype. A first candidate genes approach was realized by qPCR and tends to show that the phenotypic differences may be due to both, variable expressivity and genetic compensation. Finally, I have shown that 6 months col22a1-/- fish show a highly decreased swimming capacity and consume more O2 during effort compared to wild type animals. Thus, we conclude that the musculoskeletal system efficiency seems altered in absence of COLXXII. Our results should allow considering COL22A1 as a candidate gene for muscular dystrophies with unclarified genetic cause.

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.

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.