Les invasions biologiques constituent une source de préoccupation majeure du fait des conséquences écologiques, économiques et sanitaires dont elles sont responsables. Déterminer et comprendre les facteurs sous-jacents au succès invasif des espèces envahissantes permet de prédire de nouvelles invasions et de mettre en place des stratégies de contrôle. Culicoides imicola est un vecteur majeur d’Orbivirus d’intérêt vétérinaire incluant le virus de la fièvre catarrhale ovine (FCO). Suite à l’émergence de la FCO dans le bassin méditerranéen, les populations de C. imicola ont été découvertes dans des territoires où elles étaient considérées comme absentes, caractérisant alors cette présence comme la résultante d’une expansion récente de l’espèce. Cette thèse décrit un ensemble de travaux visant à comprendre l’histoire de la colonisation du bassin méditerranéen par C. imicola. L’utilisation d’une approche multi-marqueurs combinant des analyses de génétique de populations, des inférences basées sur la méthode Approximate Bayesian Computation (ABC) et la simulation mathématique de la dispersion atmosphérique de l’espèce, a permis (i) de déterminer l’origine des populations installées au Maghreb et au Moyen Orient et de décrire les routes de colonisation et la chronologie de ces évènements, (ii) de définir les caractéristiques démographiques, évolutives et temporelles de la colonisation du sud de l’Europe et (iii) de caractériser les principaux facteurs expliquant le succès d’expansion géographique des populations installées. Les principaux résultats de cette thèse permettent de proposer des hypothèses pour expliquer le succès de l’installation des populations de C. imicola dans le bassin méditerranéen / Biological invasions are of major concern because of their environmental, economic and health consequences. Determining and understanding the factors underlying the invasion success of species allow predicting potential other biological invasions, and developing vector control strategies. Culicoides imicola is a major vector species of Orbivirus, including the bluetongue virus (BTV) which affects domestic ruminants. Following BT emergence in the Mediterranean basin, C. imicola populations were recorded in territories where the species was considered to be absent, and consequently was described as expanding its range expansion on a short period. This Phd work describes a set of studies aiming at understanding the colonization history of the Mediterranean basin by C. imicola. The use of a multi-loci approach combining population genetics analyses, Approximate Bayesian Computation (ABC) methods and mathematical simulations of the atmospheric dispersion of the species enabled to (i) determine the origin of the established populations in the Maghreb and the Middle-East and describe the routes of colonization and the chronology of such events, (ii) define the demographic, evolutionary and temporal characteristics of south-western Europe colonization and (iii) characterize the main factors explaining the successful range expansion of the established populations. The main results of this thesis allow suggesting hypotheses to explain the successful establishment of C. imicola populations in the Mediterranean basin.

African horsesickness (AHS) is one of the most deadly diseases of horses, with a mortality rate of over 90% in horses that have not been exposed to any African horsesickness virus (AHSV) serotype previously (Howell, 1960; Darpel et al., 2011). The Orbiviruses, African horsesickness virus (AHSV) and Bluetongue virus (BTV), are primarily transmitted to their mammalian hosts through certain haematophagous midge vectors (Culicoides spp.) (Erasmus, 1973). The selective cleavage of BTV and AHSV VP2 by trypsin-like serine proteases (Marchi et al., 1995) resulted in the generation of subsequent infectious sub-viral particles (ISVP) (Marchi et al., 1995; van Dijk & Huismans, 1982). It is believed that this cleavage affects the ability of the virus to infect cells of the mammalian and vector host (Darpel et al., 2011). Darpel et al (2011) identified a trypsinlike serine protease in the saliva of Culicoides sonorensis (C. sonorensis), which also cleaves the serotype determinant viral protein 2 (VP2) of BTV. And, a similar cleavage pattern was also observed by van Dijk & Huismans (1982) and Marchi et al (1995) with the use of trypsin and chymotrypsin. Manole et al (2012) recently determined the structure of a naturally occurring African horsesickness virus serotype 7 (AHSV7) strain with a truncated VP2. Upon further investigation, this strain was also shown to be more infective than the AHSV4 HS32/62 strain, since it outgrew AHSV4 in culture (Manole et al., 2012). Therefore, through proteolytic cleavage of these viral particles, the ability of the adult Culicoides to transmit the virus might be significantly increased (Dimmock, 1982; Darpel et al., 2011). Based on these findings, it is important to investigate the factors that influence the capability of arthropod-borne viruses to infect their insect vectors, mammalian hosts and their known reservoirs. In this study, we postulated that one of the vectors for AHSV, Culicoides imicola (C. imicola), has a protease similar to the 29 kDa C. sonorensis trypsin-like serine protease identified by Darpel et al (2011). Proteins in the total homogenate of C. imicola were separated on SDS-PAGE and yielded several protein bands, one of which also had a molecular mass of around 29 kDa. Furthermore, proteolytic activity was observed on a gelatin-based sodium dodecyl sulfate polyacryamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) gel. The activity of the protein of interest was also confirmed to be a trypsin-like serine protease with the use of class-specific protease inhibitors. A recombinant trypsin-like serine protease of C. sonorensis was generated using the pColdIII bacterial expression vector. The expressed protein was partially purified with nickel ion affinity chromatography. Zymography also confirmed proteolytic activity. With the use of the protease substrates containing fluorescent tags and class specific protease inhibitors, the expressed protein was classified as a serine protease. It was also proposed that incubation of purified AHSV4 with the recombinant protease would result in the cleavage of AHSV4 VP2, resulting in similar VP2 digestion patterns as observed in BTV by Darpel et al (2011) or the truncated VP2 of AHSV7 by Manole et al (2012). BHK-21 cell cultured AHSV4 was partially purified through Caesium chloride gradient ultracentrifugation after which the virus was incubated with the recombinant protease. Since not enough virus sample was obtained, the outcome of VP2 digestion was undetermined. In the last part of this study, it was postulated that C. imicola and C. sonorensis have the same trypsin-like serine protease responsible for the cleavage of VP2 based on the protease activity visualised in the whole midge homogenate. Since the genome of C. imicola is not yet sequenced, the sequence of this likely protease is still unknown. Therefore, we attempted to identify this C. imicola protease through polymerase chain reaction (PCR) amplification. Total isolated ribonucleic acid (RNA) of C. imicola was used to synthesize complementary deoxyribonucleic acid (cDNA). The cDNA was subjected to PCR using C. sonorensis trypsin-like serine protease-based primers. An 830 bp DNA fragment was amplified. However, sequence alignment and the basic local alignment software tool (BLAST), revealed that DNA did not encode with any other known proteins or proteases. From the literature it seems that there is a correlation between the proteases in the vector and the mammalian species that succumb to AHS (Darpel et al., 2011, Wilson et al., 2009, Marchi et al., 1995). Based on the work performed in the study, a proteolytically active protein similar to the 29 kDa protein of C. sonorensis is present in C. imicola. The 29 kDa protease of C. sonorensis can also be expressed in bacteria which could aid in future investigations on how proteolytic viral modifications affect infectivity between different host species. / MSc (Biochemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

African horsesickness (AHS) is one of the most deadly diseases of horses, with a mortality rate of over 90% in horses that have not been exposed to any African horsesickness virus (AHSV) serotype previously (Howell, 1960; Darpel et al., 2011). The Orbiviruses, African horsesickness virus (AHSV) and Bluetongue virus (BTV), are primarily transmitted to their mammalian hosts through certain haematophagous midge vectors (Culicoides spp.) (Erasmus, 1973). The selective cleavage of BTV and AHSV VP2 by trypsin-like serine proteases (Marchi et al., 1995) resulted in the generation of subsequent infectious sub-viral particles (ISVP) (Marchi et al., 1995; van Dijk & Huismans, 1982). It is believed that this cleavage affects the ability of the virus to infect cells of the mammalian and vector host (Darpel et al., 2011). Darpel et al (2011) identified a trypsinlike serine protease in the saliva of Culicoides sonorensis (C. sonorensis), which also cleaves the serotype determinant viral protein 2 (VP2) of BTV. And, a similar cleavage pattern was also observed by van Dijk & Huismans (1982) and Marchi et al (1995) with the use of trypsin and chymotrypsin. Manole et al (2012) recently determined the structure of a naturally occurring African horsesickness virus serotype 7 (AHSV7) strain with a truncated VP2. Upon further investigation, this strain was also shown to be more infective than the AHSV4 HS32/62 strain, since it outgrew AHSV4 in culture (Manole et al., 2012). Therefore, through proteolytic cleavage of these viral particles, the ability of the adult Culicoides to transmit the virus might be significantly increased (Dimmock, 1982; Darpel et al., 2011). Based on these findings, it is important to investigate the factors that influence the capability of arthropod-borne viruses to infect their insect vectors, mammalian hosts and their known reservoirs. In this study, we postulated that one of the vectors for AHSV, Culicoides imicola (C. imicola), has a protease similar to the 29 kDa C. sonorensis trypsin-like serine protease identified by Darpel et al (2011). Proteins in the total homogenate of C. imicola were separated on SDS-PAGE and yielded several protein bands, one of which also had a molecular mass of around 29 kDa. Furthermore, proteolytic activity was observed on a gelatin-based sodium dodecyl sulfate polyacryamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) gel. The activity of the protein of interest was also confirmed to be a trypsin-like serine protease with the use of class-specific protease inhibitors. A recombinant trypsin-like serine protease of C. sonorensis was generated using the pColdIII bacterial expression vector. The expressed protein was partially purified with nickel ion affinity chromatography. Zymography also confirmed proteolytic activity. With the use of the protease substrates containing fluorescent tags and class specific protease inhibitors, the expressed protein was classified as a serine protease. It was also proposed that incubation of purified AHSV4 with the recombinant protease would result in the cleavage of AHSV4 VP2, resulting in similar VP2 digestion patterns as observed in BTV by Darpel et al (2011) or the truncated VP2 of AHSV7 by Manole et al (2012). BHK-21 cell cultured AHSV4 was partially purified through Caesium chloride gradient ultracentrifugation after which the virus was incubated with the recombinant protease. Since not enough virus sample was obtained, the outcome of VP2 digestion was undetermined. In the last part of this study, it was postulated that C. imicola and C. sonorensis have the same trypsin-like serine protease responsible for the cleavage of VP2 based on the protease activity visualised in the whole midge homogenate. Since the genome of C. imicola is not yet sequenced, the sequence of this likely protease is still unknown. Therefore, we attempted to identify this C. imicola protease through polymerase chain reaction (PCR) amplification. Total isolated ribonucleic acid (RNA) of C. imicola was used to synthesize complementary deoxyribonucleic acid (cDNA). The cDNA was subjected to PCR using C. sonorensis trypsin-like serine protease-based primers. An 830 bp DNA fragment was amplified. However, sequence alignment and the basic local alignment software tool (BLAST), revealed that DNA did not encode with any other known proteins or proteases. From the literature it seems that there is a correlation between the proteases in the vector and the mammalian species that succumb to AHS (Darpel et al., 2011, Wilson et al., 2009, Marchi et al., 1995). Based on the work performed in the study, a proteolytically active protein similar to the 29 kDa protein of C. sonorensis is present in C. imicola. The 29 kDa protease of C. sonorensis can also be expressed in bacteria which could aid in future investigations on how proteolytic viral modifications affect infectivity between different host species. / MSc (Biochemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

Les maladies animales vectorielles sont devenues depuis 2000 une préoccupation majeure pour la France et certains pays de l'Union Européenne du fait de l'apparition, la persistance et l'expansion de virus pathogènes en provenance de régions du Sud. La fièvre catarrhale du mouton (FCM) est un bon exemple de la progression en zone tempérée d'arboviroses tropicales sous l'effet, semble-t-il, de l'extension de son vecteur principal sur le littoral méditerranéen européen (Corse, îles Baléares, Catalogne, Italie, Sardaigne, Sicile, Var).<br />L'objectif de cette thèse est à la fois d'étudier les outils méthodologiques et diagnostiques disponibles pour évaluer les risques liés à la FCM et d'en développer d'autres afin d'améliorer la surveillance de cette maladie en France.<br />Une première étude a constitué en l'évaluation des performances épidémiologiques du test sérologique (ELISA de compétition) utilisé pour le diagnostic et la surveillance de la FCM en Corse et sur le continent français. Une analyse du plan de surveillance de la circulation virale dans le contexte particulier corse a également été conduite. Elle a permis notamment d'identifier les points critiques de ce dispositif. <br />Suite à la détection de la présence de Culicoides imicola, vecteur biologique impliqué dans la circulation du virus de la FCM (BTV) sur le pourtour méditerranéen, dans la vallée de l'Argens (département du Var), le besoin de développer de nouveaux outils pour surveiller et évaluer le risque de transmission de ce virus dans des zones d'implantation récente est devenu nécessaire. Une étude entomologique a ainsi été mise en place dans la vallée de l'Argens afin i) de confirmer l'installation de C. imicola dans cette zone, ii) de suivre la dynamique de cette population sur une saison d'activité, iii) de collecter des données entomologiques pour estimer le potentiel de transmission de cette population de vecteurs. Un modèle stochastique de capacité vectorielle regroupant des données spécifiques des populations locales de C. imicola et des données publiées dans la littérature est ainsi proposé. Une étude de la compétence de C. imicola vis-à-vis du sérotype 9 de la FCM a, de plus, été initiée.<br />La discussion générale s'attarde sur les points qui semblent importants pour améliorer le dispositif de surveillance et avancer vers la mise en place d'un système d'alerte précoce. Elle ouvre également de nouvelles perspectives pour prolonger l'approche intégrative proposée en incluant notamment des travaux de géomatique initiés sur C. imicola. Elle pose, de plus, la question d'un passage à une échelle d'étude plus large. Les questions de recherche que pose l'épizootie récente de FCM dans le Nord de l'Europe sont finalement examinées.

Du fait de changements environnementaux multifactoriels (pression anthropique, climat...), la répartition des vecteurs et des maladies qu'ils transmettent se modifie. La fièvre catarrhale ovine (FCO), arbovirose des ruminants s'étant récemment propagée dans le bassin méditerranéen, constitue un modèle pertinent pour étudier les conditions d'installation d'un vecteur exotique dans un nouvel environnement. Nous proposons ici d'utiliser la télédétection et l'analyse paysagère pour caractériser l'environnement favorable à la FCO et à son principal vecteur, Culicoides imicola, à une échelle locale, en Corse. Pour cela, l'environnement en lien avec les traits de vie du vecteur a été caractérisé au voisinage d'élevages sains ou infectés (approche maladie) et de sites de piégeages où le vecteur est présent ou absent (approche vecteur), en testant trois tailles de voisinage, à partir d'un modèle numérique de terrain, du réseau hydrographique et d'une image à haute résolution spatiale issue du satellite SPOT. La classification de l'image a permis de produire une carte d'occupation du sol à partir de laquelle des indicateurs paysagers reflétant la structure spatiale et la composition de la végétation ont été extraits. Les modèles liant environnement et présence/absence de la maladie ou du vecteur ont été validés en interne et en externe. Les résultats ont confirmé que les milieux favorables au vecteur et à la maladie pouvaient être caractérisés par des facteurs environnementaux autres que climatiques et ont mis en évidence l'importance des indicateurs paysagers aux trois échelles de voisinage. Ils ont montré que les milieux favorables présentaient une diversité et une fragmentation importante. La latitude, pouvant refléter la proximité à la Sardaigne, est également identifiée comme étant une variable liée au risque de présence du vecteur et de la maladie. La plupart des modèles ont présenté une capacité de discrimination élevée rendant possible leur utilisation à des fins de prédictions en Corse et sur d'autres territoires. Ils pourraient notamment servir à cibler les actions de surveillance sur le littoral continental français. Parmi les perspectives de travail, peuvent être envisagées l'application d'une démarche similaire sur les autres espèces de Culicoides impliqués dans la transmission de la FCO, l'intégration de paramètres climatiques, la recherche de nouveaux paramètres issus de données de télédétection et la conception de modèles dynamiques de capacité vectorielle.